3. Электрические процессы на мембране

1. Мембранный потенциал (потенциал покоя)

2. Потенциал действия

3.1. Мембранный потенциал (потенциал покоя)

С помощью электрофизиологических исследований было доказано, что внутри и снаружи клеточная мембрана заряжена разноимённо. Установлено, что в состоянии физиологического покоя, на наружной поверхности мембраны имеется положительный заряд, а на внутренней поверхности – отрицательный. Следовательно, на мембране существует разность потенциалов, которая возникает по причине неодинаковости концентраций катионов и анионов внутри и вне клетки (табл. 3). Величина потенциала покоя относительно стабильна, у разных клеток варьирует в среднем в пределах от -30 до -90 мВ.

Таблица 3

Внутри- и внеклеточные концентрации ионов (ммоль/л) в мышечных клетках теплокровных животных

Концентрации Ионы	Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация
Na+	12	145
K+	155	4
Ca2+	7-10	2
Cl-	4	120-130
HCO3-	8	27
Анионы высокомолекулярных органических соединений	155	-
Прочие катионы	Менее 1	5

Концентрация К⁺ для вне- и внутриклеточной среды электровозбудимых клеток разнится в 30-40 крат. Если в уравнение Нернста подставить в константы, то при нормальной температуре тела (T=36,6 С⁰ или 310 К⁰) можно легко подсчитать равновесный потенциал, например, для одного из самых важных потенциалобразующих ионов при формировании мембранного потенциала покоя – иона К⁺. Например, если разница в концентрациях внешнего и внутреннего К⁺ составит 39, то равновесный потенциал по К⁺ будет:

Е_к= -61мВ∙log39 = -61мВ∙1,59 = -97мВ

Однако в эксперименте мембранный потенциал отличается от равновесного потенциала по калию. Какой же вклад вносят другие ионы в величину мембранного потенциала? Почему возникает равновесное состояние с неравномерным распределением ионов и заряда по разные стороны клеточной мембраны?

Чтобы ответить на эти вопросы необходимо вспомнить об исследованиях английского физико-химика Фредерика Джоржа Доннана (1911). Его основные работы посвящены изучению растворов и коллоидных систем. Если рассматривать клеточную

мембрану как фазовый раздел сред, содержащих ионы с

Ф. Доннан неодинаковой проницаемостью, то термодинамическим

условием равновесия ионов по разные стороны мембраны является равенство произведений концентрации катионов и анионов по обе стороны мембраны. Основную роль в создании такого равновесия играют ионы K⁺ и высокомолекулярные внутриклеточные анионы. Мембрана клетки не проницаема для органических внутриклеточных анионов, в частности анионов аспаргиновой, гистаминовой и других аминокислот. Органические соединения в силу своего большого молекулярного веса не в силах выйти за пределы клеточной мембраны, но ничто не препятствует выходу ионов К⁺ и Cl^-. Становится понятным почему концентрация внутриклеточного хлора в 50 раз меньше внеклеточной. Согласно законам термодинамики, ионы Na⁺ , концентрация которых в 12 раз выше во внеклеточной среде, должны стремиться войти в клетку благодаря существующему градиенту концентраций. Однако в состоянии покоя этого практически не происходит по причине того, что натриевые белковые каналы конкурентно блокируются более крупными по своему размеру катионами Са²⁺. Возникает неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны, получившее название доннановского равновесия. С внешней стороны клеточной мембраны будут в основном находится в высоких концентрациях ионы Na⁺, Cl^-, Са²⁺. На внутренней поверхности мембраны будут преимущественно отрицательно заряженные ионы органических соединений и катионы К⁺, стремящегося по электрохимическому градиенту покинуть клетку. Именно концентрация внешнего (вышедшего) К⁺ и определяет величину регистрируемой разности потенциалов. Вследствие этого в литературе мембранный потенциал часто называют концентрационным калиевым потенциалом.

Пассивный и активный транспорт ионов через мембрану поддерживают создавшееся состояние доннановского равновесия.

Пассивным транспортом называется перенос неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического или электрохимического потенциала. В нейрофизиологии под градиентом понимают наличие пространственно ориентированных количественных отличий в системах, направляющих вектор изменения этих системах в сторону выравнивания существующих отличий. Известны следующие механизмы пассивного транспорта:

1. Простая диффузия через фосфолипидный бислой – по своей сути представляет собой растворение вещества в липидной фазе мембраны, диффузию и последующий выход из мембраны на противоположной стороне. Легче всего простой диффузией проходят через мембрану малые неполярные молекулы (О₂, стероиды, тиреоидные гормоны) и жирные кислоты. С более низкой скоростью диффундируют малые полярные незаряженные молекулы (СО₂, NH₃, Н₂О, этанол, мочевина). Однако для большинства ионизированных атомов и молекул гидрофобный слой мембраны практически непреодолим.

2. Облегченная диффузия. При облегченной диффузии вещества переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных трансмембранных белков-переносчиков – транслоказ. Эти белки имеет центр связывания, комплементарный переносимому веществу, поэтому для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность: для каждого иона, вещества или группы сходных веществ имеется свой переносчик. Переносимое вещество присоединяется к транслоказе, в результате чего изменяется ее конформация, в мембране открывается канал, и вещество освобождается с другой стороны мембраны. Поскольку в канале нет гидрофобного препятствия, то этот механизм называют облегченной диффузией. Перенос ионов через гидрофильные ионные каналы представляет собой вариант облегченной диффузии (рис.5).

Процессы облегченной и простой диффузии направлены на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе клетка-внеклеточная среда

Каналы в мембране формируются интегральными белками, которые "прерывают" липидный бислой, образуя пору, заполненную водой. Стенки канала "выстилаются" радикалами аминокислот этих белков. Трансмембраный перенос путем облегченной диффузии осуществляется по двум основным типам белковых молекул – селективных каналов и неселективных «пор». Селективность канала определяется наличием в белке специфического центра связывания иона. В настоящее время такие каналы описаны для большинства потенциалобразующих ионов – Са^2+, Na⁺, К⁺, О^2-. Неселективные каналы различают вещества только по размеру и пропускают все молекулы меньше определённой величины, по градиенту концентрации, т.е. служат фильтрами. Например, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для K⁺, Nа⁺ и Сl^- (больше всего для К⁺). Эти каналы не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Белковые каналы могут находиться в открытом или закрытом состоянии благодаря наличию т.н. «ворот». М-ворота (активационные) находятся в глубине канала, h-ворота (инактивационные) на его поверхности. В зависимости от состояния ворот белковый канал может быть

• открыт – открыты оба вида ворот

• закрыт – закрыты активационные ворота

• инактивирован – закрыты инактивационные ворота

Так, в состоянии покоя натриевый канал не пропускает ионы Na+, поскольку закрыты м–ворота, большинство калиевых каналов при этом находится в открытом состоянии.

Причины открытия и закрытия ворот разнообразны. Это могут быть изменениями мембранного потенциала и тогда каналы называются потенциалзависимыми. К потенциалзависимым относятся Na⁺, K⁺, Са²⁺, Сl^-–

каналы. В этом случае стимул, приводящий к открытию ворот, действует непосредственно на канал. Если причина открытия канала – взаимодействие с определенными химическими веществами, специфическое фосфорилирование ворот, то каналы являются потенциалнезависимыми. В этом случае рецептор химического стимула пространственно разобщен с каналом. Такие каналы могут быть гормонрегулируемыми, рецепторрегулируемыми. Кроме перечисленных существуют каналы смешанного типа.

Соотнеся химические процессы, происходящие на мембране клетки, с электрическими мы получаем полное представление о причинах возникновения мембранного потенциала:

1. механический фактор – ионы К⁺ имеют малый диаметр, поэтому они проходят через узкие калиевые каналы утечки. Ионы Na⁺ в два раза крупнее и через калиевые каналы войти в клетку не могут.

2. электростатический фактор – у входа в потенциалзависимый канал есть заряд, создаваемый белковой молекулой, что препятствует проникновению одноименных ионов.

3. конкурентный фактор – в состоянии покоя натриевые каналы часто блокированы большими по размеру ионами Са²⁺.

Таким образом, уравнение Нернста является частным случаем сложных суммационных процессов пассивного транспорта, протекающих на клеточной мембране. Итоговая величина суммарного диффузионного потенциала, который создаётся утечкой нескольких видов ионов, рассчитывается по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца. В ней учтено, что потенциал покоя зависит от:

• полярности электрического заряда каждого иона

• проницаемости мембраны Р для каждого иона

• [ концентраций соответствующих ионов] внутри (внутр) и снаружи мембраны (внеш).

Итак, вследствие протекающих постоянно процессов движения ионов по градиенту концентраций, мембранный потенциал должен со временем терять свою величину. Однако этого не происходит, так как живой системе свойственно поддерживать саморегуляцию и самоорганизацию затрачивая на эти процессы метаболическую энергию. Мембрана клетки не исключение – это активная транспортная система. Белки клеточной мембраны, обеспечивающие активный транспорт ионов против электрического и концентрационного градиентов называют ионными насосами. Наиболее важным активным транспортным процессом, направленным на поддержание постоянного уровня мембранного потенциала, является работа натрий-калиевого насоса. Эти белки присутствуют в мембране любой клетки, но наиболее многочисленны в возбудимых клетках – нервных мышечных, секреторных. Максимальная концентрация этих белков выявлена в миелиновых волокнах в областях перехватов Ранвье.

Как транспортный мембранный белок Na⁺/K⁺-насос представляет собой переносчик, осуществляющий антипорт – перенос ионов в противоположном направлении. Na⁺ перемещается против градиента за пределы клетки, а K⁺ внутрь. (Напомним, что унипорт – простой перенос ионов в определенном направлении, а симпорт – перенос двух и более разных веществ в одном направлении.) Таким способом поддерживается высокая внутриклеточная концентрация ионов калия и низкая концентрация ионов натрия.

К ак молекула – белок Na⁺/K⁺-насос относится к ферментам из группы транспортных аденозинтрифосфотаз – катализирует отщепление от молекулы АТФ одного или двух остатков фосфорной кислоты. Сама АТФ поступает к насосу от митохондрий. Энергия, освобождаемая при этих процессах, идет на перенос соответствующих ионов. При расщеплении одной молекулы АТФ происходит перенос трех ионов натрия из клетки и одновременно дух ионов калия в клетку (рис. 6). Транспортный ток осуществляется с высокой скоростью – до 6000 ионов Na⁺ в секунду. В некоторых наиболее активных клетках до 60-70% синтезируемой энергии идет на работу этих мембранных белков.

Основная функция Na⁺/K⁺-насоса – поддержание высокой концентрации внутреннего калия, который всегда стремиться покинуть клетку по градиенту концентрации. Другая функция поддержание электроотрицательности с внутренней стороны клеточной мембраны, так как стереохимия ионного обмена приводит к потере одного катиона за один цикл переноса (3:2).

Сделаем вывод: мембранный потенциал (потенциал покоя) является результатом как пассивных, так и активных механизмов транспорта через мембрану. Степень участия этих механизмов неодинакова, зависит от структуры мембраны, функциональной нагрузки, наличия ионов по разные стороны мембраны. Создавая разность потенциалов по обе стороны мембраны, возбудимая клетка приобретает уникальный потенциальный механизм, позволяющий генерировать возбуждение под действием стимула, проводить возбуждение и передавать его другим клеточным структурам.