Механизм возникновения мембранного потенциала покоя
Каждая клетка в состоянии покоя характеризуется наличием трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя). Обычно разность зарядов между внутренней и внешней поверхностями мембран составляет от – 80 до – 100 мВ и может быть измерена с помощью наружного и внутриклеточного микроэлектродов (рис. 2.10.). Разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны клетки в состоянии её покоя называют мембранным потенциалом (потенциал покоя).
Рис. 2.10. Измерение потенциала покоя мышечного волокна (A) с помощью внутриклеточного микроэлектрода М - микроэлектрод; И- индифферентный электрод. Луч на экране осциллографа (В) показывает, что до прокола мембраны микроэлектродом разность потенциала между М и И была равна нулю. В момент прокола (показан стрелкой) обнаружена разность потенциалов, указывающая, что внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к ее наружной поверхности (по Ходорову Б.И.).
Создание потенциала покоя обеспечивается двумя основными процессами – неравномерным распределением неорганических ионов между внутри- и внеклеточным пространством и неодинаковой проницаемостью для них клеточной мембраны. Анализ химического состав вне- и внутриклеточной жидкости свидетельствует о крайне неравномерном распределении ионов (табл. 2.1.).
Таблица 2.1.
Внутри- и внеклеточные концентрации ионов мышечной клетки теплокровного животного, ммоль/л (по дж. Дудел)
-
Ионы
Внутриклеточная
Внеклеточная
Na+
12
145
K+
155
4
CI–
4
120
HCO3–
8
27
A– (анионы органических соединений)
155
–
В состоянии покоя внутри клетки много анионов органических кислот и ионов K+, концентрация которых в 30 раз больше, чем снаружи, ионов Na+ наоборот, снаружи клетки в 10 раз больше, чем внутри, CI– также больше снаружи.
В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для K+, менее для CI– и очень мало проницаема для Na+. Проницаемость мембраны нервного волокна для Na+ в покое в 100 раз меньше, чем для K+. Для многих анионов органических кислот мембрана в покое совсем непроницаема.
В силу градиента концентраций K+ выходит на наружную поверхность клетки, вынося свой положительный заряд. Высокомолекулярные анионы не могут следовать за K+ из-за непроницаемости для них мембраны. Ион Na+ также не может возместить ушедшие ионы калия, ибо проницаемость мембраны для него значительно меньше. CI– по градиенту концентраций может перемещаться только внутрь клетки, увеличивая тем самым отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны. Вследствие такого перемещения ионов возникает поляризация мембраны, когда наружная её поверхность заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Электрическое поле, которое создаётся на мембране, активно вмешивается в распределение ионов между внутренним и наружным содержимым клетки. По мере возрастания положительного заряда на наружной поверхности клетки иону калия, как положительно заряженному, становится всё труднее и труднее перемещаться изнутри наружу. Он движется как бы в гору. Чем больше величина положительного заряда на наружной поверхности, тем меньше количество ионов K+ может выходить на поверхность клетки. При определённой величине потенциала на мембране количество ионов K+, пересекающих мембрану в том и другом направлении, оказывается равным, т.е. концентрационный градиент калия уравновешивается имеющимся на мембране потенциалом. Потенциал, при котором диффузионный поток ионов становится равным потоку одноимённых ионов, идущих в обратном направлении, называют потенциалом равновесия для данного иона. Для ионов K+ потенциал равновесия равен – 90 мВ. В миелинезированных нервных волокнах величина потенциала равновесия для ионов CI– близка к значению мембранного потенциала покоя (– 70 мВ). Поэтому, несмотря на то, что концентрация ионов CI– снаружи волокна больше, чем внутри его, не отмечается их одностороннего тока в соответствии с градиентом концентраций. В этом случае разность концентраций сбалансирована потенциалом, имеющимся на мембране.
Ион Na+ по градиенту концентраций должен был бы входить внутрь клетки (его потенциал равновесия составляет + 60 мВ), и наличие отрицательного заряда внутри клетки не должно было бы препятствовать этому потоку. В этом случае входящий Na+ нейтрализовал бы отрицательные заряды внутри клетки. Однако этого в действительности не происходит, так как мембрана в покое малопроницаема для Na+.
Важнейшим механизмом, поддерживающим низкую внутриклеточную концентрацию ионов Na+ и высокую концентрацию ионов K+, является натрий – калиевый насос (активный транспорт). Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывается с 3 находящимися внутри клетки ионами Na+ и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с 2 находящимися вне клетки ионами K+, которые переносятся в цитоплазму. Энергообеспечение работы систем переносчиков обеспечивается АТФ. Функционирование насоса по такой системе приводит к следующим результатам.
Поддерживается высокая концентрация ионов K+ внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того, что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе, поскольку он сам создаёт небольшой, но постоянный ток положительных зарядов из клетки, а потому вносит прямой вклад в формирование отрицательного потенциала внутри неё. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт.
Поддерживается низкая концентрация ионов натрия внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой – обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объёма клетки.
Поддерживая стабильный концентрационный градиент Na+, натрий – калиевый насос способствует сопряжённому K+, Na+ транспорту аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.
Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов K+, CI–, ионной асимметрии концентраций ионов K+ и ионов CI–, работой систем активного транспорта (Na+/K+ – АТФаза), которые создают и поддерживают ионную асимметрию.