Биотоки. Мембранный потенциал

Как уже говорилось, процесс возбуждения в каждой возбудимой ткани проявляется специфической реакцией. В то же время процессу возбуждения во всех тканях присущи общие, универсальные признаки, связанные с особенностями метаболизма при возбуждении. При этом происходит значительное увеличение обмена веществ. Энергия химических реакций преобразуется в механическую энергию сокращения, секрецию, в тепло и небольшая часть превращается в электрические явления.

В них переходит лишь 1/1 000 000 часть всей энергии возбуждения, но эти токи сейчас хорошо регистрируются.

Электрические явления у животных известны давно. На первом месте по мощности электрического органа располагается электр.угорь из рек Южной Америки, длина этой рыбы 2м, а длина эл. органа 1,5м, мощность его разряда600в и частота 1600 в сек. Его удары мгновенно убивает крупных животных и человека, находящихся в воде. Следующим по мощности является электрический орган электр.ската из Атлантического океана, далее располагается электр. орган нильского сома, который иннервируется одной нервной клеткой. Именно на нем Бабухин доказал 2-сторонее проведение возбуждения по нервам.

Электр.явления присущи не только рыбам. Они существуют во всех клетках каждого животного, где впервые были обнаружены в 1786 году Луиджи Гальвани, итальянским врачом и физиологом Болонского университета. Лягушачьи лапки он подвешивал за седалищный нерв на медный крючок, нижним концом они касались железных перил и происходило стойкое сокращение, как при раздражении электрическим током. Гальвани истолковал это как критерий наличия животного электричества, т.е. мышца и нерв имеют различные заряды, металл замыкает цепь между ними, приводя к сокращению (рисунок).

Этот опыт получил название первого опыта Гальвани.

Против утверждения Гальвани о животном электричестве выступил итальянский физик и физиолог Александро Вольта Он в 1791 году подтвердил опыт Гальвани, но дал иное объяснение: сокращение мышцы происходит из-за разности зарядов между разнородными металлами, а не между тканями.

В 1793-94 годах Гальвани провел опыт «сокращения без металлов». При этом нерв набрасывался на мышцу с помощью непроводника - деревянной или стеклянной палочки, но мышца все равно сокращалась. Этот эксперимент в классике физиологии известен, как второй опыт Гальвани.

Впоследствии оказалось, что оба ученых были правы: существует и животное электричество, и разность потенциалов между металлами. В честь Вольта животное электричество измеряется в вольтах, а ток между разными металлами, находящимися в электролите в честь Гальвани назвали гальваническим.

В первой половине 19 века (в 1848г.) нем. физиолог Э.Дюбуа-Реймон впервые использовал в физиологии физические приборы (гальванометр) и измерил величину животного электричества. Он накладывал электроды на поврежденный и неповрежденный участок мышцы лягушки, при этом стрелка гальванометра отклонялась в сторону поврежденного участка. Из курса физики вы знаете, что в электрической цепи ток движется от «+» к «-», следовательно поврежденный участок заряжен отрицательно по отношению к неповрежденному, т.е внутри клетка заряжена отрицательно, а снаружи – положительно.

Таким образом, в состоянии покоя существует трансмембранная разность потенциалов между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Такая разность потенциалов, свойственная состоянию покоя называется потенциалом покоя или мембранным потенциалом.

Кроме того, выделяют еще ток повреждения– разность потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками, она заметно меньше мембранного потенциала, так как межклеточная жидкость шунтирует регистрирующую систему, поэтому точную величину МП удалось измерить недавно.

Это удалось лишь в 1950 году, когда Линг и Джерард предложили стеклянные микроэлектроды, которые можно вводить в клетку не повреждая ее. Они представляют собой тонкие капилляры диаметром один микрон, заполненные 3М р-ром КСl. Один электрод вводят внутрь клетки, а второй накладывают на поверхность клетки. Пока микроэлектрод не проколол мембрану, осциллограф пишет прямую линию на уровне 0 – разности потенциалов нет, как только оболочка проколота, стрелка гальванометра сразу отклоняется вниз, регистрируя отрицательный заряд цитоплазмы.

Возбудимые ткани имеют различную величину потенциала покоя: у скелетной мускулатуры он равен -80-90 мВ, у нервной ткани - -70 мВ, у гладкой мускулатуры - 50 - 60 мВ и у железистого эпителия - 20 мВ. МП поддерживается на примерно постоянном уровне на протяжении всей жизни и исчезает при гибели клетки.

Еще в 1896 году В.Ю. Чаговец высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых тканях и сделал попытку объяснить с позиции теории электролитической диссоциации Аррениуса.

Сейчас природа мембранного потенциала объясняется с позиции мембранно-ионной теории Юлиуса Бернштейна. Он выдвинул ее в 1902, а подтверждена она была лишь в 1961 английскими физиологами А. Ходжкиным, Хаксли и Экклсом (за что в 1963 году ими была получена Нобелевская премия). Согласно этой теории для возникновения поляризации клеточной мембраны необходимы условиеипричинаполяризации клеточных мембран. Условием является наличие полупроницаемой мембраны, причиной - трансмембранная разность ионов по обе стороны мембраны.

Вначале разберем строение и свойства мембраны.

Строение и свойства мембраны

Толщина клеточных мембран колеблется от 6 до 12 нм. Мембрана состоит из фосфолипидов и белков. В настоящее время получила распространение жидкостно-мозаичная модель строения мембран (рис.6). Она представляет собой двойной слой фосфолипидов, гидрофобные хвосты которых направлены внутрь мембраны, а гидрофильные головки ориентированны к ее поверхности. Глобулярные белки в зависимости от расположения называются периферическими, полуинтегральными и интегральными. Периферическими называются белки, которые располагаются на поверхности мембраны, полуинтегральныележат на поверхности и частично погружены в толщу слоя фосфолипидов.Интегральныебелки полностью погружены в фосфолипидный бислой и пронизывают его насквозь. Белки выполняют много функций: рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Полупроницаемость мембран обусловлена несколькими причинами:

0. определенный диаметр ионных каналов.За счет этого проходят только ионы, диаметр которых совпадает с диаметром пор. В зависимости от этого различают калиевые, натриевые, кальциевые, хлоровые каналы. Сейчас известны многие типы каналов для различных ионов. Одни из них пропускают только "свои" ионы, вторые могут пропускать и основные, и другие ионы.

1. Отрицательный заряд белкаионных каналов и цитоплазмы препятствует проникновению отрицательно заряженных частиц.

2. Определенный диаметр различных ионов.Самые мелкие - ионы калия, поэтому они свободно проходят через поры в состоянии покоя, на втором месте – ионы хлора, затем натрия и, наконец, ионы кальция.

3. Наличие ворот.Ионные каналы имеют активационные и инактивационные ворота. Они обладают: 1) селективностью – избирательностью к проникновению различных ионов и 2) электровозбудимостью, то есть при снижении мембранного потенциала каналы активируются (открываются). Степень активации и инактивации ионных каналов зависит от величины деполяризующего стимула.

Участие мембраны в создании мембранного потенциала. Механизмы активного и пассивного транспорта

Рассмотрим трансмембранную разность ионов по обе стороны мембраны (рисунок)

K Na Ca Cl

над 1 10 20 50

под 50 1 1 1

Разная концентрация ионов по обе стороны мембраны и ведет к электрической асимметрии - разностью зарядов между протоплазмой и поверхностью клетки.

Еще Ю. Бернштейн ведущую роль в формировании МП отводил ионам К, считая, что мембрана проницаема только для него. К во много раз больше над мембраной. В целом сумма катионов над мембраной оказывается больше, чем анионов, что и определяет положительный заряд внешней поверхности клеток.

В клетке в ходе метаболизма образуется большое количество органических кислот: таких как аспарагиновая, глютаминовая, уксусная, молочная, фумаровая, янтарная. Они диссоциируют с образованием анионов.

В протоплазме их содержание значительно превышает количество катионов, а так как они очень крупные, то не могут пройти через поры мембраны и накапливаются у ее внутренней поверхности, чем и обеспечивают отрицательный заряд.

Полупроницаемая мембрана участвует в создании ионной асимметрии по обе стороны. Это обеспечивается "активным" и "пассивным" транспортом ионов. В состоянии покоя соотношение констант ионной проницаемости имеет следующий вид:

P_K:P_Nа:P_Cl = 1: 0,04 : 0,45

Пассивный транспортчерез мембрану в клетку и из нее в окружающую среду протекает без существенных затрат энергии. Перенос веществ осуществляется по градиенту концентрации. Градиент - это условие, необходимое для переноса веществ через мембрану. Основным механизмом, обеспечивающим проникновение их в клетку, являетсядиффузия. Кроме этого, в формировании мембранного потенциала играют роль силыэлектростатического взаимодействия.

Для лучшего понимания поляризации мембран предположим, что они проницаемы только для ионов К. В клетке К в 50раз больше, поэтому за счет сил диффузии он выходит на поверхность и заряжаете положительно. Анионы орг. кислот, образующих соединения с К из-за большого размера не способны проникнуть через мембрану, поэтому они скапливаются у внутренней поверхности мембраны, образуя ее отрицательный заряд и электростатически удерживают К у внешней поверхности, не давая ему уходить. Таким образом, в мембране возникает электрическое поле, дальнейший выход К задерживается положительным зарядом мембраны и отрицательным зарядом цитоплазмы. В конце концов наступает равновесие Доннана. Оно является одной из главных причин существования МП. Для нейронов при существующей концентрации за счет диффузии К создается мембранный потенциал в 90мв.

Но при измерении оказалось, что его величина составляет -70мВ. Это обусловлено тем, что в создании МП имеют значение и ионы Nа. Для него мембрана проницаема намного меньше, чем для К. Но тем не менее за счет диффузии и электростатических взаимодействийNaв небольшом количестве поступает внутрь клетки и снижает МП дол -70мВ.

Определенную роль играют и ионы Cl, которых над мембраной в 50 раз больше, чем в цитоплазме. За счет концентрационного градиента они по закону диффузии проникают в клетку, увеличивая ее отрицательный заряд. Однако этому препятствует отрицательный заряд цитоплазмы и положительный заряд мембраны, это приводит к тому, чтоClвыталкивается из клетки наружу. Наблюдается равновесие потоков под и на мембрану, которое поддерживается по механизму Доннана.

Нужно подчеркнуть, что основная роль в формировании МП принадлежит ионам К, что дало основание для названия теории мембранных потенциалов – калиевой теорией.