Потенциал покоя нервной клетки. Мембранный потенциал покоя. Потенциал покоя нейрона

В данной теме будут рассмотрены два катиона – натрий (Na) и калий (К). Говоря об анионах, примем во внимание то, что определенное количество анионов находится у наружной и внутренней стороны мембраны клетки.

Форма клетки зависит от того, к какой ткани она принадлежит. По своей форме клетки могут быть:

· цилиндрические и кубические (клетки кожи);

· дисковидные (эритроциты);

· шаровидные (яйцеклетки);

· веретеновидные (гладкомышечные);

· звездчатые и пирамидные (нервные клетки);

· не имеющие постоянной формы – амебовидные (лейкоциты).

Клетка обладает рядом свойств: она питается, растет, размножается, восстанавливается, адаптируется к окружающей её среде, обменивается энергией и веществами с окружающей средой, выполняет присущие ей функции (в зависимости от того, к какой ткани принадлежит данная клетка). Кроме того, клетка обладает возбудимостью.

Возбудимость – это способность клетки в ответ на раздражения переходить из состояния покоя к состоянию активности.

Раздражения могут поступать из внешней среды или возникать внутри клетки. Раздражителями, вызывающими возбуждение, могут быть: электрические, химические, механические, температурные и иные стимулы.

Клетка может находиться в двух основных состояниях – в покое и в возбуждении. Покой и возбуждение клетки иначе называют – мембранный потенциал покоя и мембранный потенциал действия.

Когда клетка не испытывает ни каких раздражений, она находится в состоянии покоя. Покой клетки иначе называется мембранным потенциалом покоя (МПП).

В состоянии покоя внутренняя поверхность ее мембраны заряжена отрицательно, а наружная – положительно. Это объясняется тем, что внутри клетки находится много анионов и мало катионов, а за клеткой наоборот, преобладают катионы.

Поскольку в клетке присутствуют электрические заряды, то создаваемое ими электричество можно измерить. Величина мембранного потенциала покоя равна: - 70 мВ, (минус 70, поскольку внутри клетки отрицательный заряд). Данная величина условна, так как в каждой клетке может быть своя величина потенциала покоя.

В состоянии покоя поры мембраны открыты для ионов калия и закрыты для ионов натрия. Это означает, что ионы калия могут легко проникать в клетку и выходить из нее. Ионы натрия не могут поступать в клетку, поскольку для них закрыты поры мембраны. Но небольшое число ионов натрия проникает в клетку, потому что притягиваются большим количеством анионов, расположенных на внутренней поверхности мембраны (разноименные заряды притягиваются). Такое перемещение ионов является пассивным, поскольку не требует затрат энергии.

Для нормальной жизнедеятельности клетки величина ее МПП должна оставаться на постоянном уровне. Однако, перемещение ионов натрия и калия через мембрану вызывает колебания данной величины, что может привести к уменьшению или увеличению значения: - 70 мВ.

Для того, чтобы величина МПП оставалась относительно постоянной начинает действовать так называемый натрий – калиевый насос. Его функция заключается в том, что он ионы натрия убирает из клетки, а ионы калия нагнетает в клетку. Именно определенное соотношение ионов натрия и калия в клетке и за клеткой создает нужную величину МПП. Работа насоса является активным механизмом, поскольку для нее требуется энергия.

Источником энергии в клетке является АТФ. АТФ дает энергию только при расщеплении на более простую кислоту - АДФ, при обязательном участии в реакции фермента АТФ-азы:

АТФ + фермент АТФ-аза АДФ + энергия

Потенциал покоя

Мембранный потенциал (или потенциал покоя) – это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии относительного физиологического покоя. Потенциал покоя возникает в результате двух причин:

1) неодинакового распределения ионов по обе стороны мембраны;

2) избирательной проницаемости мембраны для ионов.

В состоянии покоя мембрана неодинаково проницаема для различных ионов. Клеточная мембрана проницаема для ионов K, малопроницаема для ионов Na и непроницаема для органических веществ.

За счет этих двух факторов создаются условия для движения ионов. Это движение осуществляется без затрат энергии путем пассивного транспорта – диффузией в результате разности концент-рации ионов. Ионы K выходят из клетки и увеличивают положительный заряд на наружной поверхности мембраны, ионы Cl пассивно переходят внутрь клетки, что приводит к увеличению положительного заряда на наружной поверхности клетки. Ионы Na накапливаются на наружной поверхности мембраны и увеличивают ее положительный заряд. Органические соединения остаются внутри клетки. В результате такого движения наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно. Внутренняя поверхность мембраны может не быть абсолютно отрицательно заряженной, но она всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней. Такое состояние клеточной мембраны называется состоянием поляризации. Движение ионов продолжается до тех пор, пока не уравновесится разность потенциалов на мембране, т. е. не наступит электрохимическое равновесие. Момент равновесия зависит от двух сил:

1) силы диффузии;

2) силы электростатического взаимодействия. Значение электрохимического равновесия:

1) поддержание ионной асимметрии;

2) поддержание величины мембранного потенциала на постоянном уровне.

В возникновении мембранного потенциала участвуют сила диффузии (разность концентрации ионов) и сила электростатического взаимодействия, поэтому мембранный потенциал называется концентра-ционно-электрохимическим.

Для поддержания ионной асимметрии электрохимического равновесия недостаточно. В клетке имеется другой механизм – натрий-калиевый насос. Натрий-калиевый насос – механизм обеспечения активного транспорта ионов. В клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из которых связывает три иона Na, которые находятся внутри клетки, и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с двумя ионами K, находящимися вне клетки, и переносит их в цитоплазму. Энергия берется при расщеплении АТФ.

Потенциал действия

Потенциал действия – это сдвиг мембранного потенциала, возникающий в ткани при действии порогового и сверхпорогового раздражителя, что сопровождается перезарядкой клеточной мембраны.

При действии порогового или сверхпорогового раздражителя изменяется проницаемость клеточной мембраны для ионов в различной степени. Для ионов Na она повышается и градиент развивается медленно. В результате движение ионов Na происходит внутрь клетки, ионы К двигаются из клетки, что приводит к перезарядке клеточной мембраны. Наружная поверхность мембраны несет отрицательный заряд, внутренняя – положительный.

Компоненты потенциала действия:

1) локальный ответ;

2) высоковольтный пиковый потенциал (спайк);

3) следовые колебания.

Ионы Na путем простой диффузии поступают в клетку без затрат энергии. Достигнув пороговой силы, мембранный потенциал снижается до критического уровня деполяризации (примерно 50 мВ). Критический уровень деполяризации – это то количество милливольт, на которое должен снизиться мембранный потенциал, чтобы возник лавинообразный ход ионов Na в клетку.

Высоковольтный пиковый потенциал (спайк).

Пик потенциала действия является постоянным компонентом потенциала действия. Он состоит из двух фаз:

1) восходящей части – фазы деполяризации;

2) нисходящей части – фазы реполяризации.

Лавинообразное поступление ионов Na в клетку приводит к изменению потенциала на клеточной мембране. Чем больше ионов Na войдет в клетку, тем в большей степени деполяризуется мембрана, тем больше откроется активационных ворот. Возникновение заряда с противоположным знаком называется инверсией потенциала мембраны. Движение ионов Na внутрь клетки продолжается до момента электрохимического равновесия по иону Na Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя, она зависит от концентрации ионов Na и от степени проницаемости мембраны к ионам Na. Нисходящая фаза (фаза реполяризации) возвращает заряд мембраны к исходному знаку. При достижении электрохимического равновесия по ионам Na происходит инактивация активационных ворот, снижается проницаемость к ионам Na и возрастает проницаемость к ионам K. Полного восстановления мембранного потенциала не происходит.

В процессе восстановительных реакций на клеточной мембране регистрируются следовые потенциалы – положительный и отрицательный.

Мембрана всех живых клеток поляризована. Внутренняя сторона мембраны несет отрицательный заряд по сравнению с межклеточным пространством (рис. 1). Величина заряда, который несет мембрана называется мембранным потенциалом (МП) . В невозбудимых тканях МП низкий, и составляет около -40 мВ. В возбудимых тканях он высокий, около -60 - -100 мВ и называется потенциалом покоя (ПП) .

Потенциал покоя, как и любой мембранный потенциал формируется за счет избирательной проницаемости клеточной мембраны. Как известно, плазмолемма состоит из липидного бислоя, через который движение заряженных молекул затруднено. Белки, встроенные в мембрану, могут избирательно изменять проницаемость мембраны для различных ионов, в зависимости от приходящих стимулов. При этом, для формирования потенциала покоя ведущую роль играют ионы калия, кроме них важны ионы натрия и хлора.

Рис. 1. Концентрации и распределение ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.

Большинство ионов распределяются неравномерно с внутренней и внешней стороны клетки (рис. 1). Внутри клетки концентрация ионов калия выше, а натрия и хлора - ниже, чем снаружи. В состоянии покоя мембрана проницаема для ионов калия и практически непроницаема для ионов натрия и хлора. Несмотря на то, что калий может свободно выходить из клетки, его концентрации остаются неизменными благодаря отрицательному заряду на внутренней стороне мембраны. Таким образом, на калий действуют две силы, находящиеся в равновесии: осмотические (градиент концентрации К +) и электрические (заряд мембраны), благодаря чему число входящих в клетку ионов калия равно выходящим. Движение калия осуществляется через калиевые каналы утечки , открытые в состоянии покоя. Величину заряда мембраны, при которой ионы калия находятся в равновесии можно вычислить по уравнению Нернста:

Е м = Е к = RT / nF ln [ K + ] н / [ K + ] вн

где Е к — равновесный потенциал для К + ; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; n — валентность К + (+1), [К + н ] — [К + вн ] — наружная и внутренняя концентрации К + .

Если подставить в уравнение значения из таблицы на рис. 43, то мы получим величину равновесного потенциала, равную примерно -95 мВ. Это значение вписывается в диапазон мембранного потенциала возбудимых клеток. Отличия ПП разных клеток (даже возбудимых) могут возникать по трем причинам:

• отличия внутриклеточной и внеклеточной концентраций ионов калия в разных тканях (в таблице приведены данные по среднестатистическому нейрону);
• натрий-калиевая АТФаза может вносить свой вклад в значение заряда, так как она выводит из клетки 3 Na + в обмен на 2 К + ;
• несмотря на минимальную проницаемость мембраны для натрия и хлора, эти ионы все-таки могут попадать в клетки, хоть и от 10 до 100 раз хуже, по сравнению с калием.

Чтобы учесть проникновение других ионов в клетку существует уравнение Нернста-Гольдмана:

Е м = RT / nF ln P k [ K + ] вн +P Na [ Na + ] вн +P Cl [ Cl - ] н / P k [ K + ] н + P Na [ Na + ] н + P Cl [ Cl - ] вн,

Где Е m — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; Т — аб-солютная температура; F — число Фарадея; Р K , P Na и Р Cl — константы проницаемости мембраны для К + Na + и Сl, соответственно; [К + н ], , , , [Сl — н ] и [Сl — вн ]- концентрации K + , Na + и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Такое уравнение позволяет установить более точную величину ПП. Обычно, мембрана оказывается на несколько мВ менее поляризована, по сравнению с равновесным потенциалом для К + .

Потенциал действия (ПД) может возникать в возбудимых клетках. Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то ПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет кратковременная перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной, после чего восстановится ПП. Это кратковременное изменение ПП, происходящее при возбуждении клетки называется потенциалом действия.

Возникновение ПД возможно благодаря тому, что в отличие от ионов калия, ионы натрия далеки от равновесия. Если подставить в уравнение Нернста натрий вместо калия, то мы получим равновесный потенциал, равный примерно +60 мВ. Во время ПД, происходит кратковременное увеличение проницаемости для Na + . При этом, натрий начнет проникать в клетку под действием двух сил: по градиенту концентрации и по заряду мембраны, стремясь подстроить заряд мембраны под свой равновесный потенциал. Движение натрия осуществляется по потенциал-зависимым натриевым каналам , которые открываются в ответ на смещение мембранного потенциала, после чего сами инактивируются.

Рис. 2. Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).

На записи ПД выглядит как кратковременный пик (рис. 44), имеющий несколько фаз.

1. Деполяризация (фаза нарастания) (рис. 44) - увеличение проницаемости для натрия из-за открытия натриевых каналов. Натрий стремится к своему равновесному потенциалу, но не достигает его, так как канал успевает инактивироваться.
2. Реполяризация - возвращение заряда к величине потенциала покоя. Помимо калиевых каналов утечки здесь подключаются потенциал-зависимые калиевые каналы (активируются от деполяризации). В это время калий выходит из клетки, возвращаясь к своему равновесному потенциалу.
3. Гиперполяризация (не всегда) - возникает в случаях, если равновесный потенциал по калию превышает по модулю ПП. Возвращение к ПП происходит после возвращения к равновесному потенциалу по К + .

Во время ПД происходит изменение полярности заряда мембраны. Фаза ПД, при которой заряд мембраны положителен, называется овершутом (рис. 2).

Для генерации ПД оказывается очень важной система активации и инактивации потенциал-управляемых натриевых каналов (рис. 3). Эти каналы имеют две створки: активационную (М-ворота) и инактивационную (Н-ворота) . В состоянии покоя М-ворота открыты, а Н-ворота закрыты. Во время деполяризации мембраны М-ворота быстро открываются, а Н-ворота начинают закрываться. Ток натрия в клетку возможен пока М-ворота уже открыты, а Н-ворота еще не закрылись. Вход натрия приводит к дальнейшей деполяризации клетки, приводя к открытию большего количества каналов и запуская цепочку положительной обратной связи. Деполяризация мембраны будет продолжаться до тех пор, пока все потенциал-управляемые натриевые каналы не окажутся инактивированными, что происходит на пике ПД. Минимальная величина стимула, приводящая к возникновению ПД называется пороговой . Таким образом, возникший ПД будет подчиняться закону «все или ничего» и его величина не будет зависеть от величины стимула, вызвавшего ПД.

Благодаря Н-воротам инактивация канала происходит раньше, чем потенциал на мембране достигнет равновесной величины по натрию. После прекращения поступления натрия в клетку, происходит реполяризация за счет выходящих из клетки ионов калия. При этом к каналам утечки в этом случае подключаются еще и потениал-активируемые калиевые каналы. Во время реполяризации, в быстром натриевом канале быстро закрываются М-ворота. Н-ворота открываются гораздо медленнее и остаются закрытыми еще некоторое время после возвращения заряда к потенциалу покоя. Этот период принято называть периодом рефрактерности .

Рис. 3. Работа потенциал-управляемого натриевого канала.

Концентрации ионов внутри клетки восстанавливает натрий-калиевая АТФаза, которая с затратой энергии в виде АТФ откачивает из клетки 3 иона натрия и закачивает 2 иона калия.

По немиелинизированному волокну или по мембране мышцы потенциал действия распространяется непрерывно. Возникший потенциал действия за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до порогового значения, в результате чего на соседнем участке возникает деполяризация. Главную роль в возникновении потенциала на новом участке мембраны предыдущий участок. При этом на каждом участки сразу после ПД наступает период рефрактерности, за счет которое ПД распространяется однонаправленно. При прочих равных условиях распространение потенциала действия по немиелинизированному аксону происходит тем быстрее, чем больше диаметр волокна. У млекопитающих скорость составляет 1-4 м/с. Поскольку у беспозвоночных животных отсутствует миелин, в гигантских аксонах кальмара скорость ПД может достигать 100 м/c.

По миелинизированному волокну потенциал действия распространяется скачкообразно (сальтаторное проведение). Для миелинизированных волокон характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в областях перехватов Ранвье; здесь их плотность в 100 раз больше, чем в мембранах немиелинизированных волокон. В области миелиновых муфт потенциалзависимых каналов почти нет. Потенциал действия, возникший в одном перехвате Ранвье, за счет электрического поля деполяризует мембрану соседних перехватов до порогового значения, что приводит к возникновению в них новых потенциалов действия, то есть возбуждение переходит скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения одного перехвата Ранвье потенциал действия возбуждает 2-й, 3-й, 4-й и даже 5-й, поскольку электроизоляция, создаваемая миелиновыми муфтами, уменьшает рассеивание электрического поля. Сальтаторное проведение увеличивает скорость проведения ПД 15-20 раз до 120 м/с.

Работа нейронов

Нервная система состоит из нейронов и глиальных клеток. Однако, главную роль в проведении и передаче нервных импульсов играют нейроны. Они получают информацию от множества клеток по дендритам, анализируют ее и передают или не передают на следующий нейрон.

Передача нервного импульса с одной клетки на другую осуществляется с помощью синапсов. Различают два основных типа синапсов: электрические и химические (рис. 4). Задача любого синапса - передать информацию с пресинаптической мембраны (мембрана аксона) на постсинаптическую (мембрана дендрита, другого аксона, мышцы или другого органа-мишени). Большинство синапсов нервной системы образуется между окончанием аксонов и дендритами, которые в области синапса образуют дендритные шипики.

Преимущество электрического синапса состоит в том, что сигнал с одной клетки на другую переходит без задержки. Кроме того, такие синапсы не утомляются. Для этого пре- и постсинаптические мембраны соединены поперечными мостиками, через которые ионы из одной клетки могут перемещаться в другую. Однако, существенным минусом такой системы является отсутствие однонаправленной передачи ПД. То есть, он может передаваться как с пресинаптической мембраны на постсинаптическую, так и наоборот. Поэтому, такая конструкция встречается достаточно редко и в основном - в нервной системе беспозвоночных.

Рис. 4. Схема строения химического и электрического синапсов.

Химический синапс весьма распространен в природе. О устроен сложнее, так как необходима система преобразования электрического импульса в химический сигнал, затем, вновь в электрический импульс. Все это приводит к возникновению синаптической задержки , которая может составить 0,2-0,4 мс. Кроме того, может произойти истощение запасов химического вещества, что приведет к утомлению синапса. Однако, такой синапс обеспечивает однонаправленность передачи ПД, что является его главным преимуществом.

Рис. 5. Схема работы (а) и электронная микрофотография (б) химического синапса.

В состоянии покоя окончание аксона, или пресинаптическое окончание , содержит мембранные пузырьки (везикулы) с нейромедиатором. Поверхность везикул заряжена отрицательно, чтобы предотвратить связывание с мембраной, и покрыта специальными белками, и принимающими участие в высвобождении везикул. В каждом пузырьке находится одинаковое количество химического вещества, которое называется квантом нейромедиатора. Нейромедиаторы весьма разнообразны по химическому строению, однако, большинство из них производятся прямо в окончании. Поэтому, в нем могут находиться системы, для синтеза химического посредника, а также аппарат Гольджи и митохондрии.

Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы к нейромедиатору. Рецепторы могут быть в виде как ионных каналов, открывающихся при контакте со своим лигандом (ионотропные ), так и мембранными белками, запускающими внутриклеточный каскад реакций (метаботропные ). Один нейромедиатор может иметь несколько как ионотропных, так и метаботропных рецепторов. При этом, часть из них может быть возбуждающими, а часть - тормозными. Таким образом, реакцию клетки на нейромедиатор будет определять тип рецептора на ее мембране, и разные клетки могут совершенно по-разному реагировать на одно и то же химическое вещество.

Между пре- и постсинаптической мембраной располагается синаптическая щель , шириной 10-15 нм.

При приходе ПД на пресинаптическое окончание, на нем открываются потенциал-активируемые кальциевые каналы и ионы кальция входят в клетку. Кальций связывается с белками на поверхности везикул, что приводит к их транспортировке к пресинаптической мембране с последующим слиянием мембран. После такого взаимодействия нейромедиатор оказывается в синаптической щели (рис. 5) и может связаться со своим рецептором.

Ионотропные рецепторы - это лиганд-активируемые ионные каналы. Это значит, что канал открывается только в присутствии определенного химического вещества. Для разных нейромедиаторов это могут быть натриевые, кальциевые или хлорные каналы. Ток натрия и кальция вызывает деполяризацию мембраны, поэтому такие рецепторы называют возбуждающими. Хлорный ток приводит к гиперполяризации, что затрудняет генерацию ПД. Следовательно, такие рецепторы называют тормозными.

Метаботропные рецепторы к нейромедиаторам относят к классу рецепторов, ассоцированных с G-белками (GPCR). Эти белки запускают разнообразные внутриклеточные каскады реакций, приводящих в конечном итоге либо к дальнейшей передачи возбуждения, либо к торможению.

После передачи сигнала необходимо быстро удалить нейромедиатор из синаптической щели. Для этого в щели присутствуют либо ферменты расщепляющие, нейромедиатор, либо на пресинаптическом окончании или соседних глиальных клетках могут располагаться транспортеры, закачивающие медиатор в клетки. В последнем случае он может использоваться повторно.

Каждый нейрон получает импульсы от 100 до 100 000 синапсов. Одиночная деполяризация на одном дендрите не приведет к дальнейшей передаче сигнала. На нейрон могут приходит одновременно множество как возбуждающих, так и тормозных стимулов. Все они суммируются на соме нейрона. Такая суммация называется пространственной . Далее, может возникнуть или не возникнуть (в зависимости от пришедших сигналов) ПД в области аксонного холмика . Аксонный холмик - это область аксона, примыкающая к соме и обладающая минимальным порогом ПД. Далее импульс распространяется по аксону, конец которого может сильно ветвиться и образовывать синапсы со множеством клеток. Помимо пространственной, существует временная суммация . Она происходит в случае, поступления часто повторяющихся импульсов от одного дендрита.

Помимо классических синапсов между аксонами и дендритами или их шипиками, существуют также синапсы, модулирующие передачу в других синапсах (рис. 6). К ним относят аксо-аксональные синапсы. Такие синапсы способны усиливать или тормозить синаптическую передачу. То есть, если на окончание аксона, образующего аксо-шипиковый синапс, пришел ПД, а в это время по аксо-аксональному синапсу на него пришел тормозный сигнал, высвобождения нейромедиатора в аксо-шипиковом синапсе не произойдет. Аксо-дендритные синапсы могут изменять проведение мембраной ПД на пути от шипика к соме клетки. Также существуют аксо-соматические синапсы, которые могут влиять на суммацию сигнала в области сомы нейрона.

Таким образом, существует огромное многообразие различных синапсов, отличающихся по составу нейромедиаторов, рецепторов и их местоположению. Все это обеспечивает разнообразие реакций и пластичность нервной системы.

Рис. 6. Разнообразие синапсов в нервной системе.

Для объяснения происхождения потенциала покоя были предложены различные теории. У истоков современного понимания этой проблемы стоит работа В. Ю. Чаговца, который в 1896 г., будучи студентом-медиком, высказал мысль об ионной природе биоэлектрических процессов и сделал попытку применить теорию электролитической диссоциации Аррениуса для объяснения происхождения этих потенциалов. В дальнейшем в 1902 г. Ю. Бернштейном была развита мембранно-ионная теория, которая модифицирована и экспериментально обоснована А. Ходжкином и А. Хаксли (1952) и в настоящее время пользуется широким признанием. Согласно этой теории, биоэлектрические потенциалы обусловлены неодинаковой концентрацией ионов Кֹ, Naֹ, Сl" внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Протоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чём внеклеточная жидкость.

Препятствием для быстрого выравнивания этой разности концентраций является тончайшая (около 100 Å) плазматическая мембрана, покрывающая живые клетки.

В клеточной мембране имеются тончайшие канальцы - «поры» диаметром в несколько ангстрем. Через эти канальцы молекулы воды и других веществ, а такжо ионы, имеющие соответствующий размеру пор диаметр, входят в клетку выходят из нее.

На структурных элементах мембраны фиксируются личные ионы, что придает стенкам ее пор тот или иной заряд и тем самым затрудняет или облегчает прохождение через них ионов. Так, предполагается, что наличие в мембране диссоциированных фосфатных и карбоксильных групп является причиной того, что мембрана нервных волокон значительно менее проницаема для анионов, чем для катионов.

Проницаемость мембраны для различных катионов также неодинакова, и она закономерно изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана нервных волокон примерно в 20-100 раз более проницаема для ионов Кֹ, чем для ионов Naֹ, а при возбуждении натриевая проницаемость начинает значительно превышать калиевую проницаемость мембраны.

Для того чтобы понять механизм возникновения мембранного потенциала покоя с точки зрения теории Бернштейна - Ходжкина, рассмотрим модельный опыт. Первую половину сосуда (рис. 117 ), разделенного искусственной полупроницаемой мембраной, поры которой свободно пропускают положительно заряженные ионы Кֹ и не пропускают отрицательно заряженных ионов SO"4, наполняют концентрированным раствором K2SО4, а левую половину наполняют также раствором K2SО4, но меньшей концентрации.

Вследствие существования концентрационного градиента ионы Кֹ начнут диффундировать через мембрану преимущественно из правой половины сосуда (где их концентрация равна С1) в левую (с концентрацией С2). Соответственно отрицательно заряженные анионы SO"4, для которых мембрана непроницаема, будут концентрироваться в правой половине сосуда у поверхности мембраны. Своим отрицательным зарядом они электростатически будут удерживать ионы Кֹ на поверхности мембраны слева. В результате мембрана поляризуется: между двумя ее поверхностями возникает разность потенциалов. Рис. 117. Возникновение разности потенциалов на искусственной мембране, разделяющей растворы K2SО4 разной концентрации (С1 и С2). Мембрана избирательно проницаема для катионов Кֹ (маленькие кружки) и не пропускает анионы SО"4 (большие кружки). 1 и 2 - электроды, опущенные в раствор; 3 - электроизмерительный прибор.

Если теперь в правую и левую половины сосуда опустить электроды, то электроизмерительный прибор обнаружит наличие разности потенциалов, при этом раствор с меньшей концентрацией ионов K2SО4, в который происходит преимущественно диффузия положительно заряженных ионов Кֹ, приобретает положительный заряд по отношению к раствору с большей концентрацией K2SО4.

Разность потенциалов (Е) в рассмотренном случае может быть подсчитана по формуле Нернста:

Есть много оснований считать, что сходные отношения имеют место и в живом нервном волокне, поскольку концентрация ионов Кֹ в протоплазме более, чем в 30 роз превышает концентрацию этих ионов в наружном растворе, а органические (белковые и др.) анионы протоплазмы через мембрану практически не проникают.

В состоянии физиологического покоя диффузия положительно заряженных ионов Кֹ из протоплазмы во внешнюю жидкость придает наружной поверхности мембраны положительный заряд, а внутренней - отрицательный.

Важным доводом в пользу правильности этого представления послужил тот факт, что рассчитанная по формуле Нернста разность потенциалов между наружной и внутренней сторона мембраны мышечного волокна (около 90 мв) оказалась близкой к измеренной в опытах с помощью внутриклеточного микроэлектрода.

Было установлено также, что повышение концентрации ионов Кֹ во внешней среде клетки, а следовательно, cнижение разности концентрации этих ионов по обе стороны мембраны приводят к падению потенциала покоя, причем в определенном диапазоне концентрацией эти сдвиги количественно хорошо совпадают с расчитанными по формуле Нернста.

Однако наиболее важные, прямые, доказательства правильности этих представлений были получены А. Ходжкиным с сотрудниками (1962) в опытах с заменой протоплазмы в гигантских нервных волокнах моллюска кальмара солевыми растворами. Из волокна, имеющего диаметр около 1 мл, осторожно выдавливали протоплазму и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором.

В том случае, когда концентрация ионов калия в этом растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной стороной мембраны устанавливалась разность потенциалов, примерно равная потенциалу покоя нормального волокна (50-80 мв). Уменьшение концентрации ионов Кֹ во внутреннем растворе приводило к закономерному снижению или даже извращению потенциала покоя.

Такие опыты показали, что концентрационный градиент ионов Кֹ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна.

Наряду с ионами Кֹ в возникновении потенциала покоя принимают участие и ионы Naֹ, диффундирующие в протоплазму из внеклеточной жидкости, где их концентрация велика. Диффузия эта сильно затруднена низкой натриевой проницаемостью мембраны в покое. Тем не менее, диффундируя через мембрану внутрь протоплазмы, ионы Naֺ переносят сюда свои положительные заряды, что несколько уменьшает величину потенциала покоя, создаваемого диффузией из клетки ионов Кֺ. Этим объясняется тот факт, что потенциал покоя большинства нервных клеток и волокон имеет величину не 90 мв, как это следовало ожидать, если бы эхтот потенциал создавался только ионами Кֺ но 60-70 мв.

Таким образом, величина потенциала покоя нервных волокон и клеток определяется соотношением числа положительно заряженных ионов Кֺ, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов Naֺ, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Положительно заряженных ионов калия в окружающую среду из цитоплазмы клетки в процессе установления осмотического равновесия. Анионы органических кислот , нейтрализующие заряд ионов калия в цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать их градиент концентрации на клеточной мембране .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Мембранные потенциалы - Часть 1

✪ Потенциал покоя: - 70 мВ. Деполяризация, реполяризация

✪ Потенциал покоя

Субтитры

Нарисую небольшую клетку. Это будет типичная клетка, и она наполнена калием. Мы знаем, что клетки любят накапливать его внутри себя. Много калия. Пусть его концентрация будет где-то 150 миллимоль на литр. Огромное количество калия. Возьмем это в скобки, потому что скобки обозначают концентрацию. Снаружи также имеется некоторое количество калия. Здесь концентрация будет примерно 5 миллимоль на литр. Я покажу вам, как будет устанавливаться градиент концентрации. Это не происходит само по себе. Для этого требуется много энергии. Два иона калия закачиваются внутрь, и одновременно с этим три иона натрия покидают клетку. Так ионы калия попадают внутрь изначально. Теперь, когда они внутри, будут ли они удерживаться тут сами по себе? Конечно, нет. Они находят анионы, небольшие молекулы или атомы с отрицательным зарядом, и располагаются вблизи них. Таким образом суммарный заряд становится нейтральным. У каждого катиона есть свой анион. И обычно эти анионы являются белками, какими-то структурами, у которых имеется отрицательная боковая цепь. Это может быть и хлорид, или, например, фосфат. Что угодно. Любой из этих анионов подойдет. Изображу еще несколько анионов. Итак, вот два иона калия, которые просто проникли внутрь клетки, вот как все это выглядит теперь. Если все хорошо и статично, то вот как они выглядят. И на самом деле, чтобы быть совсем справедливым, здесь также есть маленькие анионы, которые находятся здесь наравне с ионами калия. В клетке есть маленькие отверстия, через которые калий может вытекать наружу. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть и как это повлияет на происходящее здесь. Итак, у нас есть эти маленькие каналы. Через них может пройти только калий. То есть эти каналы очень специфичны в отношении калия. Ничто другое не может пройти через них. Ни анионы, ни белки. Ионы калия как бы разыскивают эти каналы и рассуждают: «Ух ты, как интересно! Здесь столько калия! Надо бы выйти наружу». И все эти ионы калия просто покидают клетку. Выходят наружу. И в результате происходит интересная вещь. Большинство из них переместилось наружу. Но снаружи уже есть несколько ионов калия. Я сказал, что здесь был вот этот маленький ион, и он может теоретически проникнуть внутрь. Он может проникнуть в эту клетку, если захочет. Но дело в том, что в общей сложности, суммарно, у вас происходит больше перемещений наружу, чем внутрь. Теперь я стираю этот путь, потому что хочу, чтобы вы запомнили, что у нас имеется больше ионов калия, которые стремятся выйти наружу вследствие наличия градиента концентрации. Это первый этап. Давайте я это запишу. Градиент концентрации приводит к тому, что калий перемещается наружу. Калий начинает перемещаться наружу. Выходит из клетки. А что потом? Давайте, я нарисую его в процессе выхода наружу. Этот ион калия теперь находится здесь, а этот - здесь. Остаются только анионы. Они остались после ухода калия. И эти анионы начинают производить отрицательный заряд. Очень большой отрицательный заряд. Лишь несколько анионов, перемещающихся туда и обратно, создают отрицательный заряд. А ионы калия на внешней стороне думают, что все это очень интересно. Вот здесь имеется отрицательный заряд. А раз он там есть, они притягиваются к нему, поскольку сами обладают положительным зарядом. Их тянет к отрицательному заряду. Они хотят вернуться. Теперь задумайтесь. У вас имеется градиент концентрации, который выталкивает калий наружу. Но, с другой стороны, присутствует мембранный потенциал, - в данном случае отрицательный - который возникает из-за того, что калий оставил после себя анион. Этот потенциал стимулирует калий к тому, чтобы возвращаться назад. Одна сила, концентрация, выталкивает ион калия наружу, другая сила, мембранный потенциал, который создается калием, заставляет его возвращаться внутрь. Освобожу немного места. Сейчас покажу вам кое-что любопытное. Построим две кривые. Я постараюсь ничего не пропустить на этом слайде. Нарисую все здесь и тогда будет видно небольшой фрагмент этого. Строим две кривые. Одна из них будет для градиента концентрации, а другая - для мембранного потенциала. Это будут ионы калия снаружи. Если следить за ними в течение времени - это время - получится примерно следующее. Ионы калия стремятся выйти наружу и в определенной точке достичь равновесия. Проделаем то же самое со временем на этой оси. Это у нас будет мембранный потенциал. Начинаем в нулевой временной точке и получаем отрицательный результат. Отрицательный заряд будет становиться все больше и больше. Начинаем в нулевой точке мембранного потенциала, и именно в точке, где ионы калия начинают выходить наружу, происходит следующее. В общих чертах все очень похоже, но это происходит как бы параллельно изменениям концентрационного градиента. И когда эти два значения уравняются между собой, когда количество ионов калия, выходящих наружу, равно количеству ионов калия, которые возвращаются внутрь, получается вот такое плато. И оказывается, что заряд при этом составляет минус 92 милливольта. В этой точке, где практически отсутствует различие с точки зрения суммарного перемещения ионов калия, наблюдается равновесие. У него даже есть свое название - «равновесный потенциал для калия». При достижении значения минус 92 - а оно различается в зависимости от типа ионов - при достижении минус 92 для калия, создается равновесие потенциалов. Запишу, что заряд для калия равен минус 92. Это происходит только тогда, когда клетка проницаема лишь для одного элемента, например, для ионов калия. И все равно может возникнуть вопрос. Вы можете рассуждать: «Так, секундочку! Если ионы калия перемещаются наружу - что так и есть - тогда разве в определенной точке у нас не возникает более низкая концентрация, поскольку калий уже вышел отсюда, и более высокая концентрация вот здесь обеспечивается за счет перемещения калия наружу?» Технически это так. Здесь, снаружи, содержится больше ионов калия. И я не упомянул о том, что объем тоже меняется. Здесь получается более высокая концентрация. И то же самое справедливо для клетки. Технически здесь более низкая концентрация. Но фактически я не изменил значения. И причина в следующем. Посмотрите на эти значения, это моли. И это огромное число, согласны? 6,02 умножить на 10 в минус 23 степени, совсем не маленькое число. И если вы умножите его на 5, то получится примерно - давайте я быстро посчитаю, что у нас получилось. 6 умножить на 5 будет 30. А здесь миллимоли. От 10 до 20 молей. Это просто огромное количество ионов калия. А для создания отрицательного заряда их нужно совсем немного. То есть изменения, вызванные перемещениями ионов, будут незначительными по сравнению с 10 в 20 степени. Вот почему изменения концентрации не учитываются.

История открытия

Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка −60 мВ - −70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.

Формирование потенциала покоя

ПП формируется в два этапа.

Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na + на K + в соотношении 3: 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ , обеспечивает его электрогенность.

Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:

1. Дефицит ионов натрия (Na +) в клетке.

2. Избыток ионов калия (K +) в клетке.

3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).

Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K + . Ионы калия K + покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до −70 мВ.

Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.