Потенциал покоя (ПП)

Потенциал покоя — относительно стабильная разность электрических потенциалов между наружной и внутренней сторонами клеточ­ной мембраны. Его величина обычно варьи­рует в пределах 30—90 мВ (в волокнах ске­летной мышцы — 60—90 мВ, в нервных клет­ках — 50—80 мВ, в гладких мышцах — 30— 70 мВ, в сердечной мышце — 80—90 мВ). При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микро­электродом скачком отклоняется и показы­вает отрицательный заряд внутри.

ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организ­ма в целом, поскольку является основой для возникновения возбуждения (потенциала действия), с помощью которого нервная сис­тема воспринимает и перерабатывает инфор­мацию, регулирует деятельность внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процес­сов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории [Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц, 1902— 1952], непосредственной причиной формиро­вания ПП является неодинаковая концентра­ция анионов и катионов внутри и вне клетки (табл. 1).

В нервных и мышечных клетках концент­рация К⁺ внутри клетки в 30—40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na⁺ вне клет­ки в 10—12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl^-вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется неболь­шое количество ионов Mg²⁺. Кальций в сво­бодном состоянии находится в основном вне клетки. Он содержится также в эндоплазматическом ретикулуме; в гиалоплазме его очень мало. Это обусловливается отчасти ак­тивным транспортом Са²⁺ наружу через кле­точную мембрану, отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом (это резе­рвуар для Са²⁺) и другими органеллами, на­пример митохондриями, связыванием Са²⁺ цитратом, глутаматом.

В клетке находятся также крупномолеку­лярные анионы; главным образом это отри­цательно заряженные белковые молекулы, например глутамат, аспартат, а также органи­ческие фосфаты. Различные ионы распреде­лены неравномерно по обе стороны клеточ­ной мембраны, во-первых, вследствие неоди­наковой проницаемости клеточной мембра­ны для различных ионов, во-вторых — в ре­зультате работы ионных насосов, транспор­тирующих ионы в клетку и из клетки вопре­ки концентрационному и электрическому градиентам.

Таблица 1. Внутри- и внеклеточные концент­рации ионов (ммоль∙ л^-1) в мышечных клетках гомойотермных животных (А^- — высокомолекуляр­ные внутриклеточные анионы)

Роль проницаемости клеточной мембраны в формировании ПП. Проницаемость клеточной мембраны — это ее способность пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы) согласно законам диффузии и фильт­рации. Проницаемость клеточной мембраны определяется следующими факторами: 1) на­личием в составе мембраны различных ион­ных каналов — управляемых (с воротным ме­ханизмом) и неуправляемых (каналов утеч­ки); 2) размерами каналов и размерами час­тиц; 3) растворимостью частиц в мембране (клеточная мембрана проницаема для раство­римых в ней липидов и непроницаема для пептидов).

Термин «проводимость» следует использо­вать только лишь применительно к заряжен­ным частицам. Следовательно, проводи­мость — это способность заряженных частиц (ионов) проходить через клеточную мембра­ну согласно электрохимическому градиенту.

Ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой кон­центрацией. При большом градиенте концентра­ции и хорошей проницаемости мембраны, разде­ляющей соответствующие растворы, проводи­мость ионов может быть высокой, при этом на­блюдается односторонний ток ионов. Если раз­ность концентраций ионов по обе стороны мем­браны снизится, то проводимость ионов также уменьшится, хотя проницаемость сохранится прежней — высокой. Кроме того, проводимость иона при неизменной проницаемости мембраны зависит и от заряда иона: одноименные заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются. Возможна ситуация, когда при хорошей проница­емости мембраны проводимость ионов через мем­брану оказывается низкой или нулевой в случае отсутствия движущей силы — концентрационного и(или) электрического градиентов (их совокуп­ность называют электрохимическим градиентом).

Таким образом, проводимость иона зави­сит от его электрохимического градиента и от проницаемости мембраны: чем они больше, тем лучше проводимость иона через мембра­ну. Перемещения ионов в клетку и из клетки, согласно концентрационному и электричес­кому градиентам в состоянии покоя клетки, осуществляются преимущественно через не­управляемые (без воротного механизма) каналы, их называют также каналами утечки. Неуправляемые каналы всегда открыты, они практически не меняют своей пропускной способности при электрическом воздействии на клеточную мембрану и ее возбуждении. Неуправляемые каналы подразделяются на ионоселективные каналы (например, калие­вые медленные неуправляемые каналы) и иононеселективные каналы. Последние про­пускают различные ионы — К⁺, Na⁺, Сl^-.

Роль проницаемости клеточной мембра­ны и различных ионов в формировании ПП. Na⁺ и К⁺ в покоящейся клетке перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К⁺ из клетки выходит в значитель­но большем количестве, чем входит Na⁺ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К⁺ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na⁺.

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэ­тому внутри клетки в состоянии покоя отри­цательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка из­нутри имеет отрицательный заряд. Интерес­но, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свиде­тельствует одинаковая величина ПП при вве­дении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Гигантский аксон кальмара (его диаметр около 1 мм) в этом опыте находился в морской воде, один электрод вводился в аксон, другой помещали в морскую воду. Заряд внутри клетки являет­ся отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анионов, нежели катионов), так и относительно на­ружной поверхности клеточной мембраны. Однако превышение абсолютного числа анионов над числом катионов в клетке чрез­вычайно мало. Но этого различия достаточно для создания разности электрических потен­циалов внутри и вне клетки.

Главным ионом, обеспечивающим форми­рование ПП, является ион К⁺. Об этом сви­детельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксо­на кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации К⁺ в перфузате ПП уменьшается, при увеличении концент­рации К⁺ ПП увеличивается. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равно­весие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К⁺. Электрический и концентрационный градиенты противодей­ствуют друг другу: согласно концентрацион­ному градиенту К⁺ стремится выйти из клет­ки, отрицательный заряд внутри клетки и по­ложительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К⁺ сравнивается с числом входящих ионов К⁺ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потен­циал.

Равновесный потенциал для любого иона можно рассчитать по формуле Нернста. Кон­центрация положительно заряженного иона, находящегося снаружи, в формуле Нернста располагается в числителе, иона, находяще­гося внутри клетки, — в знаменателе. Для от­рицательно заряженных ионов расположение противоположное.

где E_ion — потенциал, создаваемый данным ионом; R — газовая постоянная (8,31 Дм); Т — абсолютная температура (273⁺37 °С); Z — валентность иона; F — постоянная Фарадея (9,65-1 0⁴); [ion]_{i —} концентрация иона внутри клетки inside; [ion]₀ — концентрация иона во внешней среде клетки (outside).

При температуре 37 °С равновесный по­тенциал для К⁺ с учетом соотношения кон­центрации его снаружи и изнутри (1/39) и ва­лентности 1 равен —97 мВ. Однако реальный ПП миоцита теплокровного животного не­сколько меньше — около —90 мВ. Это объяс­няется тем, что в создании потенциала ПП принимают участие и другие ионы, хотя их роль менее значительна в сравнении с ролью иона К⁺. Равновесный потенциал для Na⁺ равен ⁺55 мВ. В целом ПП — это производное равновесных потенциалов всех ионов, находя­щихся внутри и вне клетки и поверхностных зарядов клеточной мембраны.

Вклад Na⁺ и Сl^- в создание ПП. Проницае­мость клеточной мембраны в покое для Na⁺ очень низкая — намного ниже, чем для К⁺, тем не менее она имеет место, поэтому ионы Na⁺, согласно концентрационному и элект­рическому градиентам, стремятся и в неболь­шом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтра­лизуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na⁺. Вход Na⁺ внутрь клетки уменьшает ПП. Что касается Сl ^-, его влияние на величину ПП противоположно влиянию Na⁺ и зависит от проницаемости клеточной мембраны для Сl ^- (она в 2 раза ниже, чем для К⁺). Дело в том, что Сl ^-, со­гласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Концентрации ионов К⁺ и Сl ^- близки между собой. Но Сl ^- находится в основном вне клетки, а К⁺ — внутри клетки. Препятствует входу Сl ^- в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Сl ^-. Наступает равновесие сил кон­центрационного градиента, способствующего входу Сl ^- в клетку, и электрического гради­ента, препятствующего входу Сl ^- в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация Сl ^- равна всего лишь 5—10 ммоль/л, а вне клет­ки — 120—130 ммоль/л. При поступлении Сl ^- внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: Сl ^- добавляется к крупным белковой природы анионам, нахо­дящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны нару­жу клетки — в интерстиций. Таким образом, Сl^-, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Na⁺ и Сl ^- внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление Na⁺ и Сl ^- внутрь клетки не сказывается су­щественно на величине ПП.

Роль поверхностных зарядов клеточной мембраны и ионов Са²⁺ в формировании ПП. Наружная и внутренняя поверхности клеточ­ной мембраны несут собственные электри­ческие заряды, преимущественно с отрица­тельным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны — гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрали­зуя положительные заряды внешней поверх­ности мембраны, уменьшают ПП. Фиксиро­ванные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са²⁺ в формировании ПП заклю­чается в том, что они взаимодействуют с на­ружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательны­ми карбоксильными группами интерстиция и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП — это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внут­ри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверх­ностных зарядов самой мембраны. Роль про­ницаемости клеточной мембраны в проис­хождении ПП иллюстрируется на модельном опыте (рис.1).

Сосуд разделен полупроницаемой мембра­ной. Обе его половины заполнены раствора ми K₂SO₄ различной концентрации (С₁ и С₂), причем С₁< С₂. Мембрана проницаема для К⁺ и непроницаема для SO^2-_4. Ионы К⁺ переме­щаются, согласно концентрационному гра­диенту, из раствора С₂ в раствор С₁. Посколь­ку ионы SO^2-₄ не могут пройти в раствор С₁, где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется и между двумя ее поверхностя­ми возникает разность электрических потен­циалов, соответствующая равновесному ка­лиевому потенциалу (Ек). В растворе С₂ оста­ется больше отрицательных зарядов, в рас­творе С₁ становится больше положительных зарядов.

При проведении измерений потенциал ок­ружающей клетку среды принимают за вели­чину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внут­ренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка —60—90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в ре­зультате чего различие проницаемости для К⁺ и Na⁺ уменьшается; ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ишемии ткани, например миокарда. У сильно по­врежденных клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, что нару­шает электрическую активность клеток орга­на в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту.

Нормальная величина ПП является необ­ходимым условием возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, ини­циирующего специфическую деятельность клетки.

Поиск по сайту: