 |
юБРНюБРНЛЮРХГЮЖХЪюПУХРЕЙРСПЮюЯРПНМНЛХЪюСДХРаХНКНЦХЪаСУЦЮКРЕПХЪбНЕММНЕ ДЕКНцЕМЕРХЙЮцЕНЦПЮТХЪцЕНКНЦХЪцНЯСДЮПЯРБНдНЛдПСЦНЕфСПМЮКХЯРХЙЮ Х ялххГНАПЕРЮРЕКЭЯРБНхМНЯРПЮММШЕ ЪГШЙХхМТНПЛЮРХЙЮхЯЙСЯЯРБНхЯРНПХЪйНЛОЭЧРЕПШйСКХМЮПХЪйСКЭРСПЮкЕЙЯХЙНКНЦХЪкХРЕПЮРСПЮкНЦХЙЮлЮПЙЕРХМЦлЮРЕЛЮРХЙЮлЮЬХМНЯРПНЕМХЕлЕДХЖХМЮлЕМЕДФЛЕМРлЕРЮККШ Х яБЮПЙЮлЕУЮМХЙЮлСГШЙЮмЮЯЕКЕМХЕнАПЮГНБЮМХЕнУПЮМЮ АЕГНОЮЯМНЯРХ ФХГМХнУПЮМЮ рПСДЮоЕДЮЦНЦХЙЮоНКХРХЙЮоПЮБНоПХАНПНЯРПНЕМХЕоПНЦПЮЛЛХПНБЮМХЕоПНХГБНДЯРБНоПНЛШЬКЕММНЯРЭоЯХУНКНЦХЪпЮДХНпЕЦХКХЪяБЪГЭяНЖХНКНЦХЪяОНПРяРЮМДЮПРХГЮЖХЪяРПНХРЕКЭЯРБНрЕУМНКНЦХХрНПЦНБКЪрСПХГЛтХГХЙЮтХГХНКНЦХЪтХКНЯНТХЪтХМЮМЯШуХЛХЪуНГЪИЯРБНжЕММННАПЮГНБЮМХЕвЕПВЕМХЕщЙНКНЦХЪщЙНМНЛЕРПХЙЮщЙНМНЛХЙЮщКЕЙРПНМХЙЮчПХЯОСМДЕМЙЖХЪ
влияние внеклеточного калия и хлора на мембранный потенциал
На мембранный потенциал нейронов, а также многих других клеток, влияют изменения вне-
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя 91
| Рис. 5.2. Влияние изменений внеклеточных концентраций ионов на внутриклеточные концентрации и на мембранный потенциал. (А) Внеклеточный уровень калия удвоен, а концентрация натрия снижена с целью сохранения осмолярности на прежнем уровне. (В) Половина ионов внеклеточного хлора заменена на анионы, не проникающие через мембрану (А). Ионные концентрации выражены в миллимолях (ммоль), объем внеклеточного пространства рассматривается как бесконечно большой в сравнении с объемом клетки, поэтому вход и выход ионов через мембрану не изменяет их внеклеточных концентраций. |
Fig. 5.2. Effects of Changing Extracellular Ion Composition on intracellular ion concentrations and on membrane potential. (A) Extracellular K+ concentration is doubled and, to keep osmolarity constant Na+ concentration is reduced. (B) Half the extracellular Cl– is replaced by an impermeant anion. A–. Ion concentrations are in millimolar (m M), and extracellular volumes are assumed to be very large with respect to cell volumes, so fluxes into and out of the cell do not change extracellular concentrations.
клеточной концентрации калия, но не хлора. Обратимся к модели идеальной клетки. Сделаем допущение (для рассмотрения данной ситуации), что объем внеклеточной жидкости бесконечно велик, и что перемещение ионов не влечет за собой значительного изменения концентрации ионов вне клетки. На рис. 5.2А показаны изменения внутриклеточного ионного состава и мембранного потенциала, вызванные повышением внеклеточного уровня калия с 3 до 6 ммоль. Для сохранения первоначальной осмолярности, одновременно с добавлением 3 ммоль калия из раствора удалили 3 ммоль натрия, в результате чего общая
концентрация растворенных ионов осталась на уровне 240 ммоль. Увеличение внеклеточной концентрации калия приводит к снижению его трансмембранного градиента, движущего ионы из клетки наружу. При этом на начальном этапе мембранный потенциал не меняется. В результате происходит перенос суммарного положительного заряда внутрь клетки. Вследствие накопления положительного заряда на внутренней поверхности мембраны она деполяризуется. Ионы натрия благодаря деполяризации выходят из состояния равновесия и начинают двигаться внутрь клетки. Перемещение ионов калия и хлора продол-
92 Раздел II. Передача информации в нервной системе
жается до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесное состояние, основанное на новом соотношении концентраций и новом уровне мембранного потенциала, в данном примере —68 мВ.
Вход калия и хлора сопровождается втоком в клетку некоторого количества воды, приводящим к небольшому увеличению объема клетки. В процессе достижения нового состояния равновесия концентрация калия возрастает с 90 до 91 ммоль, хлора — с 4 до 7,9 ммоль, а объем клетки увеличивается на 3,5 %. На первый взгляд кажется, что количество вошедшего в клетку хлора превышает количество калия, но представим себе, каковы были бы эти концентрации, если бы объем клетки не увеличился: концентрации обоих ионов были бы выше на 3,5%. Следовательно, вместо 7,9 ммоль концентрация хлора была бы 8,2 ммоль, а концентрация калия была бы на уровне 94,2 ммоль, то есть увеличение обеих концентраций составило бы 4,2 %. Таким образом, сначала калий и хлор входят в клетку в приблизительно равных количествах (за исключением незначительного количества, необходимого для изменения заряда на мембране), а уже затем вода втекает в клетку, снижая концентрации обоих ионов до окончательного уровня.
Сходные рассуждения применимы и в случае увеличения внеклеточной концентрации хлора, с той лишь разницей, что при этом мембранный потенциал не меняется. На рис. 5.2В показан результат 50-процентного снижения концентрации хлора во внеклеточном растворе путем замены 60 ммоль хлора на другой анион, не проникающий через мембрану. Ионы хлора вытекают из клетки, тем самым деполяризуя мембрану до нового хлорного равновесного уровня (-68 мВ). Калий, выведенный из равновесия, также начинает вытекать из клетки. Как и в предыдущем примере, оба иона покидают клетку в равных количествах, увлекая за собой воду. Снижение внутриклеточного уровня калия невелико в процентном отношении, поскольку начальная его концентрация в клетке высока. Напротив, снижение внутриклеточного уровня хлора весьма существенно, и оно влечет за собой значительное изменение равновесного потенциала для хлора. По мере выхода хлора из клетки значение равновесного хлорного потенциала вновь приближается к первоначальному. Процесс продолжается до тех пор, пока равновесные потенциалы для хлора и калия не сравняются и мембранный потенциал не восстановит свое прежнее значение.
§ 2. Мембранный потенциал в аксоне кальмара
Гипотеза о том, что в основе мембранного потенциала лежит различие между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями калия, была впервые высказана Бернштейном 1) в 1902 г. Ему не удалось проверить свое предположение экспериментально, поскольку в то время не существовало способа измерения мембранного потенциала. В наши дни можно с высокой точностью измерить мембранный потенциал, а также убедиться в том, что изменения концентрации калия внутри и снаружи клетки приводят к изменениям мембранного потенциала в соответствии с предсказаниями уравнения Нернста.
Впервые такие измерения были проведены на гигантском аксоне кальмара. Аксон этот достигает 1 ммоль в диаметре 2), что позволяет вводить в него электроды с целью прямого измерения мембранного потенциала (рис. 5.3А). Более того, аксон кальмара удивительно живуч и продолжает функционировать, даже если из него выдавить цитоплазму с помощью резинового валика и заменить ее на перфузионный раствор (рис. 5.3В и С). У исследователя есть возможность контролировать ионный состав как внеклеточного, так и внутриклеточного растворов. А. Л. Ходжкин, вместе с А. Ф. Хаксли впервые поставивший многие эксперименты на аксоне кальмара (за которые они позже были удостоены Нобелевской премии), однажды сказал 3):
Можно утверждать, что введение Юнгом в 1936 году препарата аксона кальмара имело для науки об аксоне большее значение, чем какое-либо другое открытие, сделанное за последние 40 лет. Один выдающийся нейрофизиолог заметил недавно во время ужина на одном из конгрессов (не самым тактичным образом, должен признать): «Если честно. Нобелевскую премию нужно было присвоить кальмару».
Концентрации основных ионов в крови кальмара, а также в цитоплазме его аксона, приведены в табл. 5.1 (такие ионы, как магний и внутриклеточные анионы, опущены). Эксперименты на изолированном аксоне обычно проводятся в морской воде, соотношение концентраций калия во внутриклеточной и внеклеточной средах составляет при этом 40: 1.
Глава 5. Ионные механизмы потенциала покоя 93
| Рис. 5.3. Электрическое отведение от аксона кальмара. (А) Фотография изолированного аксона кальмара с введенным в него электродом. (В) Удаление аксоплазмы из аксона, который затем наполняется внутриклеточным перфузионным раствором. (С) Сопоставление отведений после (perfused) и до (intact) перфузии показывает, что удаление аксоплазмы не влияет как на потенциал покоя, так и на потенциал действия. Fig. 5.3. Recording from a Squid Ахоп. (A) Isolated giant axon of the squid, with axial recording electrode inside. (B) Extrusion of axoplasm from the axon, which is then cannulated and perfused internally. (C) Comparison of records before (intact) and after perfusion shows that the resting and action potentials are unaffected by removal of the axoplasm. (A from Hodgkin and Keynes 1956; В and С after Baker, Hodgkin, and Shaw, 1962.) |
Если бы мембранный потенциал был равен равновесному потенциалу для калия, его значение было бы –93 мВ. В действительности мембранный потенциал гораздо менее отрицателен (от –65 до –70 мВ). С другой стороны, это значение более отрицательно, чем равновесный потенциал для хлора (+55 мВ). Гипотеза Бернштейна была проверена путем измерения потенциала покоя и сравнения его с калиевым равновесным потенциалом при различных значениях внеклеточной концентрации калия. Заметим, что, как и в случае модели идеальной клетки, изменения уровня калия снаружи не влекут за собой значительных изменений его внутриклеточной концентрации. Из уравнения Нернста следует, что изменение концентрационного градиента в 10 раз при комнатной температуре приведет к изменению мембранного потенциала на 58 мВ. Результат эксперимента по варьированию внеклеточного уровня калия показан на рис. 5.4. На оси абсцисс представлен логарифм внеклеточной концентрации калия, а на оси ординат — мембранный потенциал.
94 Раздел II. Передача информации в нервной системе
Таблица 5.1. Концентрации ионов снаружи и внутри аксонов кальмара.
Table 5.1. Concentrations of ions inside and outside freshly isolated axons of squid.
| ion | Concentration (ммоль) | ||
| Axoplasm | Blood | Scawater | |
| Potassium | |||
| Sodium | |||
| Chloride | |||
| Calcium | 0,1 мкМа | ||
| Source: After Hodjkin, 1964. | |||
| а∙ Ionized intracellular calcium from Baker, Hodgkin, and Ridgeway, 1971. |
Теоретически предсказанный угол наклона кривой (соответствующий изменению потенциала на 58 мВ при десятикратном изменении концентрации и показанный прямой линией) в действительности достигается лишь при сравнительно высоких концентрациях. Чем ниже концентрация калия, тем меньше угол наклона кривой. Данные показывают, что распределение ионов калия не является единственным фактором, формирующим мембранный потенциал.
оНХЯЙ ОН ЯЮИРС: