Мембранный потенциал покоя и действия. Общая физиология возбудимых тканей

Чтобы провести сигнал от предшествующей клетки до последующей, нейрон генерирует электрические сигналы внутри себя. Твои движения глазами при чтении этого абзаца, ощущение мягкого кресла под попой, восприятие музыки из наушников и многое другое основаны на том, что внутри тебя проходят сотни миллиардов электрических сигналов. Такой сигнал может зародиться в спинном мозге и пройти до кончика пальца ноги по длинному аксону. Или может преодолеть ничтожно малое расстояние в глубинах мозга, ограничиваясь пределами интернейрона с короткими отростками. Любой нейрон, получивший сигнал, прогоняет его через свое тело и выросты, и этот сигнал имеет электрическую природу.

Еще в 1859 году ученые смогли измерить скорость, с которой передаются эти электрические сигналы. Оказалось, что электричество, передаваемое по живому аксону, принципиально отличается от электрического тока в металлах. По металлическому проводу электрический сигнал передается со скоростью, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду), ведь в металле много свободных электронов. Однако, несмотря на эту скорость, сигнал ощутимо ослабевает, преодолевая большие расстояния. Если бы по аксонам сигналы передавались тем же способом, которым передаются в металлах, то нервный импульс, идущий от нервного окончания в коже большого пальца твоей ноги, полностью затухал бы, не достигая твоего мозга — электрическое сопротивление органической материи слишком велико, а сигнал слишком слаб.

Исследования показали, что электричество передается по аксонам намного медленнее, чем по проводам, и что в основе этой передачи лежит неизвестный ранее механизм, в результате которого сигнал распространяется со скоростью около 30 метров в секунду. Электрические сигналы, идущие по нервам, в отличие от сигналов, идущих по проводам, не ослабевают по ходу своего движения. Причина этого в том, что нервные окончания не пропускают через себя сигнал пассивно, просто позволяя имеющимся в них заряженным частицам передавать его друг другу. Они являются в каждой своей точке активным излучателем этого сигнала, ретранслируя его, и подробное описание этого механизма потребует отдельной главы. Таким образом, пожертвовав высокой скоростью проведения нервных импульсов, за счет активной передачи сигнала нейрон получает гарантию того, что возникший в большом пальце ноги сигнал достигнет спинного мозга, нисколько не ослабев.

Чтобы наблюдать прохождение электрической волны возбуждения, или потенциала действия (action potential [‘ækʃən pə’tenʃəl] ), в живой клетке, достаточно простого устройства: один конец тонкой металлической проволоки помещается на наружную поверхность аксона сенсорного нейрона кожи, а другой подводится к самописцу, чертящему линию вверх при усилении сигнала, и вниз — при ослаблении. Каждое прикосновение к коже вызывает один или несколько потенциалов действия. При возникновении каждого потенциала самописец рисует узкий длинный пик.

Потенциал действия сенсорного нейрона длится всего лишь около 0,001 секунды и включает две фазы: быстрого нарастания, достигающего пика, а затем почти столь же быстрого спада возбуждения, приводящего к исходному положению. И тут самописец сообщает неожиданный факт: все потенциалы действия, возникающие в одной и той же нервной клетке, примерно одинаковы. Это можно увидеть на картинке слева: все пики, нарисованные самописцем, имеют примерно одну и ту же форму и амплитуду независимо от того, насколько сильным или продолжительным было прикосновение к коже, их вызвавшее. Слабое поглаживание или ощутимый щипок будут переданы потенциалами действия одной и той же величины. Потенциал действия представляет собой постоянный сигнал, подчиняющийся принципу «все или ничего»: после превышения раздражителем некоего порогового значения возникает всегда примерно одинаковый сигнал, не больше и не меньше обычного. А если раздражитель меньше порогового значения, то сигнал вовсе не будет передаваться: например, можно так легко коснуться кожи кончиком пера, что это прикосновение не будет чувствоваться.

Принцип «все или ничего» в возникновении потенциала действия вызывает новые вопросы. Как сенсорный нейрон сообщает о силе раздражителя - сильное или слабое давление, яркий или тусклый свет? Как он сообщает о продолжительности действия раздражителя? Наконец, как нейроны отличают один тип сенсорной информации от другого - например, как они отличают прикосновение от боли, света, запаха или звука? И как они отличают сенсорную информацию для восприятия от моторной информации для действия?

Эволюция решила вопрос о том, как сообщить о силе раздражителя, с помощью использования одного и того же вида сигналов одной и той же величины: эта сила определяется частотой (frequency [‘friːkwənsɪ] ), с которой испускаются потенциалы действия. Слабый раздражитель, например легкое прикосновение к руке, приводит к испусканию всего двух-трех потенциалов действия в секунду, в то время как сильное давление, как при щипке или ударе по локтю, может вызвать очередь из сотни потенциалов действия в секунду. При этом продолжительность ощущения определяется продолжительностью возникновения потенциалов действия.

Используют ли нейроны разные электрические коды, сообщая мозгу, что несут информацию о разных раздражителях, таких как боль, свет или звук? Оказалось, что нет! Это удивительно, но между потенциалами действия, генерируемыми нейронами из различных сенсорных систем (например, зрительной или тактильной), разница весьма незначительна! Таким образом, характер и природа ощущения не зависят от различий в потенциалах действия (что открывает довольно захватывающую перспективу для размышлений на тему «матрицы» из одноименного фильма). Нейрон, передающий слуховую информацию, устроен точно так же, как нейрон из зрительной нервной цепи, и проводят они одни и те же потенциалы действия, одним и тем же способом. Без знания, к какой нервной цепи принадлежит конкретный нейрон, только по анализу его функционирования невозможно определить, какую информацию он несет.

Природа передаваемой информации зависит прежде всего от типа возбуждаемых нервных волокон и специфических систем мозга, с которыми эти волокна связаны. Ощущения каждого типа передаются по своим проводящим путям, и разновидность передаваемой нейроном информации зависит именно от пути, в состав которого входит этот нейрон. В любом сенсорном проводящем пути информация передается от первого сенсорного нейрона (рецептора, реагирующего на внешний раздражитель, например прикосновение, запах или свет) к специализированным нейронам в спинном или головном мозге. Таким образом, зрительная информация отличается от слуховой лишь тем, что передается по другим проводящим путям, начинающимся в сетчатке глаза и заканчивающимся в участке мозга, который отвечает за визуальное восприятие.

Сигналы, посылаемые от моторных нейронов мозга к мышцам, также почти идентичны передаваемым по сенсорным нейронам от кожи в мозг. Они подчиняются тому же принципу «все или ничего», так же передают интенсивность сигнала с помощью частоты потенциалов действия, и так же результат сигнала зависит только от того, в какую нервную цепь включен этот нейрон. Таким образом, быстрая череда потенциалов действия, идущая по определенному проводящему пути, вызывает именно движение твоих пальцев, а не, скажем, восприятие разноцветных огней, лишь потому, что данный путь связан с мышцами рук, а не с сетчаткой глаз.

Универсальность потенциалов действия не ограничивается схожестью их проявления в разных нейронах, находящихся в пределах одного организма. Они настолько одинаковы у разных животных, что даже умудренный опытом исследователь не способен точно отличить запись потенциала действия нервного волокна кита, мыши, обезьяны или его научного руководителя. Тем не менее потенциалы действия в разных клетках не являются идентичными: небольшая разница в их амплитуде и длительности все же есть, и утверждение «все потенциалы действия одинаковы» так же неточно, как и «все бугенвиллии одинаковы».

Итак, каждый нейрон передает сигнал через свое тело и отростки одним и тем же образом. Все разнообразие информации, получаемой нами от сенсорных нейронов, все движения, которые может совершать наше тело — результат передачи единственного типа сигналов внутри нейронов. Осталась «мелочь»: понять, что же это за сигнал и как он передается.

Мы привычно отделяем все, что считаем живой природой, в том числе и себя самих, от «неживых» вещей, в том числе металлов и передающегося через них электрического тока. Тем удивительнее осознавать, что в наших телах металлы не просто присутствуют — они необходимы, без них тело не сможет существовать. Электрический ток — явление не разовое, а непрерывно возникающее в сотне миллиардов нейронов, пронизавших своими отростками все наше тело. Прямо сейчас ты можешь ощутить самые разные признаки его присутствия: то, что ты осознаешь этот текст, есть результат бесчисленных передач электрического тока. Чувство голода и удовольствие от запаха готовящейся еды, само восприятие этого запаха, прикосновение залетевшего в окно ветра к твоей коже… Перечислять можно бесконечно. И желание понять, каким же образом все это происходит, также складывается из возникающих в нейронах электрических импульсов.

Так как целью этой главы является сообщение лишь самой общей информации о прохождении нервного импульса, то здесь же необходимо рассмотреть ту среду, в которой он возникает, те условия в клетке, которые делают возможным его возникновение и передачу. Поэтому стоит начать с изучения плацдарма, на котором будут развиваться события, а именно с нейрона в состоянии покоя (dormant state [‘dɔːmənt steɪt] ).

Еще в середине прошлого века ученые нашли способ установить, в какой части нейрона существует электрический заряд. Для этого используют вольтметр (voltmeter [‘vəultˌmiːtə] ) (прибор для измерения напряжения электрического поля) с двумя электродами. Один электрод помещают внутрь нейрона, располагая его близко к клеточной мембране, а второй электрод находится в окружающей нейрон среде, с другой стороны той же мембраны. Вольтметр показывает, что с разных сторон клеточной мембраны существуют электрические заряды , отрицательный внутри клетки и положительный снаружи. Существование таких разнополюсных электрических зарядов по обе стороны мембраны создает электрическое поле, важной характеристикой которого является потенциал . Потенциал, говоря простым языком, это способность совершать работу, например работу по перетаскиванию заряженной частицы с места на место. Чем больше отрицательных зарядов накопилось по одну сторону, и чем больше положительных — по другую сторону мембраны, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле, и тем с большей силой они способны перетаскивать туда-сюда заряженные частицы. Разницу между внешним и внутренним электрическими зарядами называют мембранным потенциалом (membrane potential [‘membreɪn pə’tenʃəl] ) покоя. Для нейрона он равен примерно 70 мВ (милливольт), то есть 70 тысячных вольта или семь сотых вольта. Для сравнения, разность потенциалов в батарейке АА равна 1,5 вольта — в 20 раз больше. То есть мембранный потенциал покоя нейрона всего лишь в 20 раз слабее, чем между клеммами батарейки АА — довольно большой, получается. Электрический потенциал существует только на мембране, и в других своих частях нейрон электрически нейтрален.

Если написать более точно, то мембранный потенциал покоя нейрона равен -70 мВ (минус семьдесят милливольт). Знак минус означает лишь то, что отрицательный заряд находится именно внутри клетки, а не снаружи, и таким образом создаваемое электрическое поле способно перетаскивать через мембрану внутрь клетки положительно заряженные ионы.

Действующие лица в создании мембранного потенциала покоя:

1 . В клеточной мембране нейрона существуют каналы, по которым несущие электрический заряд ионы могут путешествовать сквозь нее. При этом мембрана не является всего лишь пассивной «перегородкой» между внутренней средой нейрона и окружающей его межклеточной жидкостью: специальные белки, внедренные в плоть мембраны, открывают и закрывают эти каналы, и таким образом мембрана контролирует прохождение ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Накапливая отрицательно заряженные ионы внутри клетки, нейрон увеличивает количество отрицательных зарядов внутри, тем самым приводя к увеличению положительных зарядов снаружи, и таким образом усиливается электрический потенциал. Так как протон имеет положительный заряд, а электрон отрицательный, то при избытке протонов получается положительно заряженный ион, а при избытке электронов — отрицательно заряженный. Если хочется более подробной информации об атомах и ионах, можно вернуться в . Важно понимать, что мембранный потенциал существует именно на границе клеточной мембраны, а жидкости в целом внутри и вне нейрона остаются электрически нейтральными. Ионы, для которых мембрана проницаема, остаются вблизи нее, поскольку положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются друг к другу. В результате снаружи мембраны образуется слой «сидящих» на ней положительных ионов, а внутри — отрицательных. Таким образом, мембрана играет роль электрической емкости, разделяющей заряды, внутри которой есть электрическое поле. Мембрана, поэтому, является природным конденсатором.

2 . отрицательно заряженные протеины , находящиеся внутри нейрона возле внутренней поверхности мембраны. Заряд протеинов всегда остается одним и тем же и является только частью общего заряда внутренней поверхности мембраны. В отличие от ионов, протеины не могут выходить из клетки и заходить в нее — для этого они слишком большие. Общий заряд меняется в зависимости от количества находящихся возле мембраны положительно заряженных ионов, концентрация которых может меняться за счет их перехода из клетки наружу, и извне вовнутрь.

3 . положительно заряженные ионы калия (К +) могут свободно перемещаться между внутренней и внешней средой, когда нейрон находится в состоянии покоя. Перемещаются они через постоянно открытые проточные калиевые каналы (flow potassium passage ), через которые могут пройти только ионы К + , и ничто другое. Проточными называются каналы, не имеющие ворот, а значит открытые при любом состоянии нейрона. Внутри клетки ионов калия гораздо больше, чем снаружи. Это происходит за счет постоянной работы натрий-калиевого насоса (про него будет рассказано ниже), поэтому в состоянии покоя нейрона ионы К + начинают перемещаться во внешнюю среду, поскольку концентрация одного и того же вещества стремится выровняться в общей системе. Если мы в бассейн с водой в одном углу выльем какое-то вещество, то его концентрация в этом углу будет очень большой, а в других частях бассейна — нулевой или очень маленькой. Однако, спустя некоторое время мы обнаружим, что концентрация этого вещества выровнялась по всему бассейну за счет броуновского движения. В этом случае говорят о «парциальном давлении» того или иного вещества, будь это жидкость или газ. Если в одном углу бассейна будет вылит спирт, то образуется большая разница в концентрации спирта между этим углом и остальным бассейном. Возникнет парциальное давление молекул спирта, и они постепенно распределятся равномерно по бассейну так, что парциальное давление исчезнет, поскольку концентрация молекул спирта везде выровняется. Таким образом, ионы К + уносят с собой положительный заряд из нейрона, уходя наружу за счет парциального давления, которое сильнее, чем сила притяжения отрицательно заряженных протеинов, в том случае, если разница в концентрации ионов внутри и снаружи клетки достаточно велика. Так как внутри остаются отрицательно заряженные протеины, то таким образом на внутренней стороне мембраны формируется отрицательный заряд. Для ясного понимания работы клеточных механизмов важно помнить, что несмотря на постоянное вытекание ионов калия из клетки, внутри нейрона их всегда больше, чем снаружи.

4 . положительно заряженные ионы натрия (Na +) находятся с внешней стороны мембраны и создают там положительный заряд. Во время фазы покоя нейрона натриевые каналы клетки закрыты , и Na + не могут пройти внутрь, а их концентрация снаружи повышается за счет работы натрий-калиевого насоса, выводящего их из нейрона.

5 . роль отрицательно заряженных ионов хлора (Cl —) и положительно заряженных ионов кальция (Ca 2+) для создания мембранного потенциала невелика, поэтому их поведение пока останется за кадром.

Формирование мембранного потенциала покоя проходит в два этапа:

Этап I . создается небольшая (-10 мВ) разница потенциалов с помощью натрий-калиевого насоса .

В отличие от других каналов мембраны, натрий-калиевый канал способен пропускать через себя и ионы натрия, и ионы калия. Причем Na + может пройти сквозь него только из клетки наружу, а К + снаружи внутрь. Один цикл работы этого канала включается в себя 4 шага:

1 . «ворота» натрий-калиевого канала открыты только с внутренней стороны мембраны, и туда заходят 3 Na +

2 . присутствие Na + внутри канала воздействует на него так, что он может частично разрушить одну молекулу АТФ (ATP ) (аденозинтрифосфата ), (adenosine triphosphate [ə’dɛnəsiːn trai’fɔsfeɪt] ) являющуюся «аккумулятором» клетки, запасающим энергию и отдающим ее при необходимости. При таком частичном разрушении, заключающемся в отщеплении от конца молекулы одной фосфатной группы PO 4 3− , выделяется энергия, которая как раз и расходуется на перенос Na + во внешнее пространство.

3 . когда канал открывается для того, чтобы Na + вышел наружу, он остается открытым, и в него попадают два иона К + — их притягивают отрицательные заряды протеинов изнутри. То, что в канале, вмещающем три иона натрия, помещается всего два иона калия, вполне логично: атом калия имеет больший диаметр.

4 . присутствие ионов калия теперь в свою очередь воздействует на канал так, что внешние «ворота» закрываются, а внутренние открываются, и К + поступают во внутреннюю среду нейрона.

Таким образом работает натрий-калиевый насос, «обменивая» три иона натрия на два иона калия. Так как электрический заряд у Na + и К + одинаковый, получается что из клетки выводится три положительных заряда, а внутрь попадает только два. За счет этого внутренний положительный заряд клеточной мембраны снижается, а внешний — увеличивается. К тому же создается разница в концентрации Na + и К + по разные стороны мембраны:

=) снаружи клетки оказывается много ионов натрия, а внутри — мало. При этом натриевые каналы закрыты, и попасть назад в клетку Na + не может, и далеко от мембраны он не уходит, так как притягивается существующим с внутренней стороны мембраны отрицательным зарядом.

=) внутри клетки много ионов калия, а вот снаружи их мало, и это приводит к вытеканию К + из клетки через открытые во время фазы покоя нейрона калиевые каналы.

Этап II формирования мембранного потенциала покоя как раз основан на этом вытекании ионов калия из нейрона. На рисунке слева показан ионный состав мембраны в начале второго этапа формирования потенциала покоя: множество К + и отрицательно заряженных протеинов (обозначенных А 4-) внутри, и облепившие мембрану снаружи Na + . Перемещаясь во внешнюю среду, ионы калия уносят из клетки свои положительные заряды, при этом суммарный заряд внутренней мембраны снижается. Так же как положительные ионы натрия, вытекшие из клетки ионы калия остаются снаружи мембраны, притягиваемые внутренним отрицательным зарядом, и внешний положительный заряд мембраны складывается из суммы зарядов Na + и К + . Несмотря на вытекание через проточные каналы, внутри клетки ионов калия всегда больше, чем снаружи.

Возникает вопрос: почему ионы калия не продолжают вытекать наружу до того момента, пока их количество внутри клетки и вне ее не станет одинаковым, то есть до тех пор, пока не исчезнет парциальное давление, создаваемое этими ионами? Причина этого заключается в том, что когда К + покидают клетку, снаружи увеличивается положительный заряд, а внутри образуется избыток отрицательного заряда. Это снижает желание ионов калия выходить из клетки, ведь наружный положительный заряд их отталкивает, а внутренний отрицательный притягивает. Поэтому через какое-то время К + перестают вытекать несмотря на то, что во внешней среде их концентрация ниже, чем во внутренней: влияние зарядов по разные стороны мембраны превышает силу парциального давления, то есть превышает стремление К + распределиться равномерно в жидкости внутри и вне нейрона. В момент достижения этого равновесия мембранный потенциал нейрона и останавливается примерно на -70 мВ.

Как только нейроном достигнут мембранный потенциал покоя, он готов для возникновения и проведения потенциала действия, про который речь пойдет в следующей цитологической главе.

Таким образом, подытожим : неравномерность распределения ионов калия и натрия по обе стороны мембраны вызвана действием двух соперничающих сил: а) силой электрического притяжения и отталкивания, и б) силой парциального давления, возникающего при разнице в концентрациях. Работа этих двух соперничающих сил протекает в условиях существования по-разному устроенных натриевых, калиевых и натриево-калиевого каналов, которые выступают в роли регуляторов действия этих сил. Калиевый канал является проточным, то есть он всегда открыт в состоянии покоя нейрона, так что ионы К + могут спокойно ходить туда-сюда под воздействием сил электрического отталкивания/притяжения и под воздействием силы, вызванные парциальным давлением, то есть разницей в концентрации этих ионов. Натриевый канал всегда закрыт в состоянии покоя нейрона, так что через них ионы Na + ходить не могут. И, наконец, натриево-калиевый канал, устроенный так, что он работает как насос, который при каждом цикле выгоняет три иона натрия наружу, и загоняет два иона калия внутрь.

Вся эта конструкция и обеспечивает возникновение мембранного потенциала покоя нейрона: т.е. состояния, при котором достигается две вещи:

а) внутри есть отрицательный заряд, а снаружи — положительный.

б) внутри много ионов К + , облепивших отрицательно заряженные части протеинов, и таким образом возникает калиевое парциальное давление — стремление ионов калия выйти наружу для выравнивания концентрации.

в) снаружи много ионов Na + , образующих отчасти пары с ионами Cl — . И таким образом возникает натриевое парциальное давление — стремление ионов натрия войти внутрь клетки для выравнивания концентрации.

В результате работы калиево-натриевого насоса мы получаем три силы, существующие на мембране: силу электрического поля и силу двух парциальных давлений. Эти силы и начинают работать, когда нейрон выходит из состояния покоя.

Все живые клетки обладают способностью под влиянием раздражителей переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности или возбуждения.

Возбуждение - это комплекс активных электрических, химических и функциональных изменений в возбудимых тканях (нервной, мышечной или железистой), которыми ткань отвечает на внешнее воздействие. Важную роль при возбуждении играют электрические процессы, обеспечивающие проведение возбуждения по нервным волокнам и приводящие ткани в активное (рабочее) состояние.

Мембранный потенциал

Живые клетки обладают важным свойством: внутренняя поверхность клетки всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней ее стороне. Между внешней поверхностью клетки, заряженной электроположительно по отношению к протоплазме, и внутренней стороной клеточной мембраны существует разность потенциалов, которая колеблется в пределах 60-70 мВ. По данным П. Г. Ко- стюка (2001), у нервной клетки эта разность колеблется в пределах от 30 до 70 мВ. Разность потенциалов между внешней и внутренней сторонами мембраны клетки называют мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (рис. 2.1).

Мембранный потенциал покоя присутствует на мембране до тех пор, пока клетка жива, и исчезает с гибелью клетки. Л. Гальвани еще в 1794 г. показал, что если повредить нерв или мышцу, сделав поперечное сечение и приложив к поврежденной части и к месту повреждения электроды, соединенные с гальванометром, то гальванометр покажет ток, который течет всегда от неповрежденной части ткани к месту разреза. Это течение он назвал током покоя. По своей физиологической сути ток покоя и мембранный потенциал покоя - одно и то же. Измеренная в данном опыте разность потенциалов составляет 30-50 мВ, поскольку при повреждении ткани часть тока шунтируется в межклеточном пространстве и окружающей исследуемую структуру жидкости. Разность потенциалов можно рассчитать по формуле Нернста:

где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - число Фарадея, [К] вн. и [К] нар. - концентрация калия внутри и снаружи клетки.

Рис. 2.1.

Причина возникновения потенциала покоя общая для всех клеток. Между протоплазмой клетки и внеклеточной средой существует неравномерное распределение ионов (ионная асимметрия). Состав крови человека по солевому балансу напоминает состав океанской воды. Внеклеточная среда в центральной нервной системе также содержит много хлорида натрия. Ионный состав цитоплазмы клеток беднее. Внутри клеток в 8-10 раз меньше ионов Na + и в 50 раз меньше ионовС!". Основным катионом цитоплазмы является К + . Его концентрация внутри клетки в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде, и приблизительно равняется внеклеточной концентрации Na Основными противоионами для К + в цитоплазме являются органические анионы, в частности анионы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот. Такая асимметрия - это нарушение термодинамического равновесия. Для того чтобы восстановить его, ионы калия должны постепенно покидать клетку, а ионы натрия - стремиться в нее. Однако этого не происходит.

Первым препятствием для выравнивания разности концентраций ионов является плазматическая мембрана клетки. Она состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытых изнутри слоем белковых молекул, а снаружи - слоем углеводов (мукополисахари- дов). Некоторая часть клеточных белков встроена непосредственно в двойной липидный слой. Это внутренние белки.

Мембранные белки всех клеток делят на пять классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы служат для перемещения ионов и молекул против градиентов концентрации, используя для этого метаболическую энергию. Белковые каналы, или поры, обеспечивают избирательную проницаемость (диффузию) через мембрану соответствующих им по размеру ионов и молекул. Рецепторные белки, обладающие высокой специфичностью, распознают и связывают, прикрепляя к мембране, многие типы молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки в каждый определенный момент времени. Ферменты ускоряют течение химических реакций у поверхности мембраны. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры.

Все эти белки специфичны, но не строго. В определенных условиях тот или иной белок может быть одновременно и насосом, и ферментом, и рецептором. Через каналы мембраны молекулы воды, а также соответствующие размерам пор ионы входят в клетку и выходят из нее. Проницаемость мембраны для различных катионов не одинакова и изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия, а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую. В состоянии покоя равные концентрации калия в цитоплазме и натрия во внеклеточной среде должны обеспечить и равное количество положительных зарядов по обе стороны мембраны. Но поскольку проницаемость для ионов калия выше в 25 раз, то калий, выходя из клетки, делает ее поверхность все более положительно заряженной по отношению к внутренней стороне мембраны, около которой все более накапливаются слишком крупные для пор мембраны отрицательно заряженные молекулы аспарагиновой, гистаминовой и других аминокислот, «отпустивших» калий за пределы клетки, но «не дающих» ему уйти далеко благодаря своему отрицательному заряду. С внутренней стороны мембраны копятся отрицательные заряды, а с внешней - положительные. Возникает разность потенциалов. Диффузный ток ионов натрия в протоплазму из внеклеточной жидкости удерживает эту разность на уровне 60-70 мВ, не давая ей возрастать. Диффузный ток ионов натрия в покое в 25 раз слабее, чем встречный ток ионов калия. Ионы натрия, проникая внутрь клетки, снижают величину потенциала покоя, позволяя ей удерживаться на определенном уровне. Таким образом, величина потенциала покоя мышечных и нервных клеток, а также нервных волокон определяется соотношением числа положительно заряженных ионов калия, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов натрия, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Вторым препятствием, удерживающим разность потенциалов на определенном уровне, является натрий-калиевый насос (рис. 2.2). Он получил название натрий-калиевого или ионного, поскольку осуществляет активное выведение (выкачивание) из протоплазмы проникающих в нее ионов натрия и введение (нагнетание) в нее ионов калия. Источником энергии для работы ионного насоса является расщепление АТФ (аденозинтрифосфата), которое происходит под воздействием фермента аденозинтрифосфатазы, локализованного в мембране клетки и активируемого теми же ионами, т. е. калием и натрием (нагрий-калий-зависимая АТФ-аза).

Рис. 2.2.

Это крупный белок, превышающий по размеру толщину клеточной мембраны. Молекула этого белка, пронизывая мембрану насквозь, связывает с внутренней стороны преимущественно натрий и АТФ, а с наружной - калий и различные ингибиторы типа глико- зидов. При этом возникает мембранный ток. Благодаря этому току обеспечивается соответствующее направление переноса ионов. Перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс ион-переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. В завершении - ион освобождается от переносчика на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении. Если насос осуществляет перенос одного иона натрия на один ион калия, то он просто поддерживает концентрационный градиент по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание мембранного потенциала. Чтобы внести этот вклад, ионный насос должен переносить натрий и калий в соотношении 3:2, т. е. на 2 иона калия, поступающих в клетку, из клетки он должен выводить 3 иона натрия. Работая с максимальной нагрузкой, каждый насос способен перекачивать через мембрану около 130 ионов калия и 200 ионов натрия в секунду. Это предельная скорость. В реальных условиях работа каждого насоса регулируется в соответствии с потребностями клетки. У большинства нейронов на один квадратный микрон мембранной поверхности приходится от 100 до 200 ионных насосов. Следовательно, мембрана любой нервной клетки содержит 1 миллион ионных насосов, способных перемещать до 200 миллионов ионов натрия в секунду.

Таким образом, мембранный потенциал (потенциал покоя) создается в результате как пассивных, так и активных механизмов. Степень участия тех или иных механизмов в разных клетках неодинакова, из чего следует, что мембранный потенциал может быть неодинаковым в разных структурах. Активность насосов может зависеть от диаметра нервных волокон: чем тоньше волокно, тем отношение размера поверхности к объему цитоплазмы выше, соответственно, и активность насосов, необходимая для поддержания разницы концентраций ионов на поверхности и внутри волокна, должна быть больше. Другими словами, мембранный потенциал может зависеть от структуры нервной ткани, а значит, и от ее функционального назначения. Электрическая поляризация мембраны - главное условие, обеспечивающее возбудимость клетки. Это ее постоянная готовность к действию. Это запас потенциальной энергии клетки, который она может использовать в случае, если нервной системе понадобится ее немедленная реакция.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя?

Что такое "животное электричество"? Откуда в организме берутся "биотоки"? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в "электрическую батарейку"?

На эти вопросы мы сможем ответить, если узнаем, как клетка за счёт перераспределения электрических зарядов создаёт себе электрический потенциал на мембране.

Как работает нервная система? С чего в ней всё начинается? Откуда в ней берётся электричество для нервных импульсов?

На эти вопросы мы также сможем ответить, если узнаем, как нервная клетка создаёт себе электрический потенциал на мембране.

Итак, понимание того, как работает нервная система, начинается с того, что надо разобраться, как работает отдельная нервная клетка - нейрон.

А в основе работы нейрона с нервными импульсами лежит перераспределение электрических зарядов на его мембране и изменение величины электрических потенциалов. Но чтобы потенциал изменять, его нужно для начала иметь. Поэтому можно сказать, что нейрон, готовясь к cвоей нервной работе, создаёт на своей мембране электрический потенциал , как возможность для такой работы.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы - это понять, каким образом перемещаются электрические заряды на нервных клетках к как за счёт этого на мембране появляется электрический потенцила. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс появления электрического потенциала у нейронов - формирование потенциала покоя .

Определение

В норме, когда клетка готова к работе, у неё уже есть электрический заряд на поверхности мембраны. Он называется мембранный потенциал покоя .

Потенциал покоя - это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его средняя величина составляет -70 мВ (милливольт).

"Потенциал" - это возможность , он сродни понятию "потенция". Электрический потенциал мембраны - это её возможности по перемещению электрических зарядов, положительных или отрицательных. В роли зарядов выступают заряженные химические частицы - ионы натрия и калия, а также кальция и хлора. Из них только ионы хлора заряжены отрицательно (-), а остальные - положительно (+).

Таким образом, имея электрический потенциал, мембрана может перемещать в клетку или из клетки указанные выше заряженные ионы.

Важно понимать, что в нервной системе электрические заряды создаются не электронами, как в металлических проводах, а ионами - химическими частицами, имеющими электрический заряд. Электрический ток в организме и его клетках - это поток ионов, а не электронов, как в проводах. Обратите также внимание на то, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи.

Если говорить уж совсем примитивно просто, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать "плюсики", т.е. положительно заряженные ионы, а внутри - "минусики", т.е. отрицательно заряженные ионы. Можно сказать, что внутри клетка электроотрицательна . И теперь нам всего лишь надо объяснить, как это так получилось. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки - отрицательные "персонажи". ((

Сущность

Сущность потенциала покоя - это преобладание на внутренней стороне мембраны отрицательных электрических зарядов в виде анионов и недостаток положительных электрических зарядов в виде катионов, которые сосредотачиваются на её наружной стороне, а не на внутренней.

Внутри клетки - "отрицательность", а снаружи - "положительность".

Такое положение вещей достигается с помощью трёх явлений: (1) поведения мембраны, (2) поведения положительных ионов калия и натрия и (3) соотношения химической и электрической силы.

1. Поведение мембраны

В поведении мембраны для потенциала покоя важны три процесса:

1) Обмен внутренних ионов натрия на наружные ионы калия. Обменом занимаются специальные транспортные структуры мембраны : ионные насосы-обменники . Таким способом мембрана перенасыщает клетку калием, но обедняет натрием.

2) Открытые калиевые ионные каналы . Через них калий может как заходить в клетку, так и выходить из неё. Он выходит в основном.

3) Закрытые натриевые ионные каналы . Из-за этого натрий, выведенный из клетки насосми-обменниками, не может вернуться в неё обратно. Натриевые каналы открываются только при особых условиях - и тогда потенциал покоя нарушается и смещается в сторону нуля (это называется деполяризацией мембраны, т.е. уменьшением полярности).

2. Поведение ионов калия и натрия

Ионы калия и натрия по-разному перемещаются через мембрану:

1) Через ионные насосы-обменники натрий насильно выводится из клетки, а калий затаскивается в клетку .

2) Через постоянно открытые калиевые каналы калий выходит из клетки, но может и возвращаться в неё обратно через них же.

3) Натрий "хочет" войти в клетку, но "не может", т.к. каналы для него закрыты.

3. Соотношение химической и электрической силы

По отношению к ионам калия между химической и электрической силой устанавливается равновесие на уровне - 70 мВ.

1) Химическая сила выталкивает калий из клетки, но стремится затянуть в неё натрий.

2) Электрическая сила стремится затянуть в клетку положительно заряженные ионы (как натрий, так и калий).

Формирование потенциала покоя

Попробую рассказать коротко, откуда берётся мембранный потенциал покоя в нервных клетках - нейронах. Ведь, как всем теперь известно, наши клетки только снаружи положительные, а внутри они весьма отрицательные, и в них существует избыток отрицательных частиц - анионов и недостаток положительных частиц - катионов.

И вот тут исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя электроотрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а наоборот - из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов).

И поэтому сущность нашего рассказа будет заключаться не в том, что мы объясним, откуда берутся отрицательные частицы в клетке, а в том, что мы объясним, каким образом в нейронах получается дефицит положительно заряженных ионов - катионов.

Куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это ионы натрия - Na + и калия - K + .

Натрий-калиевый насос

А всё дело заключается в том, что в мембране нервной клетки постоянно работают насосы-обменники , образованные специальными белками, встроенными в мембрану. Что они делают? Они меняют "собственный" натрий клетки на наружный "чужой" калий. Из-за этого в клетке оказывается в конце концов недостаток натрия, который ушёл на обмен. И в то же время клетка переполняется ионами калия, который в неё натащили эти молекулярные насосы.

Чтобы легче было запомнить, образно можно сказать так: "Клетка любит калий! " (Хотя об истинной любви здесь не может идти и речи!) Поэтому она и затаскивает калий в себя, несмотря на то, что его и так полно. Поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. Поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. Вот что делает любовь, пусть даже не настоящая!

Кстати, интересно, что клетка не рождается с потенциалом покоя в готовом виде. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от -10 до -70 mV, т.е. их мембрана становится более электроотрицательной, она поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках (ММСК) костного мозга человека искусственная деполяризация ингибировала дифференцировку клеток (Fischer-Lougheed J., Liu J.H., Espinos E. et al. Human myoblast fusion requires expression of functional inward rectifier Kir2.1 channels. Journal of Cell Biology 2001; 153: 677-85; Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. Role of an inward rectifier K+ current and of hyperpolarization in human myoblast fusion. Journal of Physiology 1998; 510: 467-76; Sundelacruz S., Levin M., Kaplan D.L. Membrane potential controls adipogenic and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Plos One 2008; 3).

Образно говоря, можно выразиться так:

Создавая потенциал покоя, клетка "заряжается любовью".

Это любовь к двум вещам:

1) любовь клетки к калию,

2) любовь калия к свободе.

Как ни странно, но результат этих двух видов любви - пустота!

Именно она, пустота, создаёт в клетке отрицательный электрический заряд - потенциал покоя. Точнее, отрицательный потенциал создают пустые места, оставшиеся от убежавшего из клетки калия.

Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников таков:

Натрий-калиевый ионный насос-обменник создаёт три потенциала (возможности):

1. Электрический потенциал - возможность затягивать внутрь клетки положительно заряженные частицы (ионы).

2. Ионный натриевый потенциал - возможность затягивать внутрь клетки ионы натрия (и именно натрия, а не какие-нибудь другие).

3. Ионный калиевый потенциал - возможновть выталкивать из клетки ионы калия (и именно калия, а не какие-нибудь другие).

1. Дефицит натрия (Na +) в клетке.

2. Избыток калия (K +) в клетке.

Можно сказать так: ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Именно из-за получившегося дефицита натрия в клетку теперь "полезет" этот самый натрий снаружи. Так всегда ведут себя вещества: они стремятся выравнять свою концентрацию во всём объёме раствора.

И в то же время в клетке получился избыток ионов калия по сравнению с наружной средой. Потому что насосы мембраны накачали его в клетку. И он стремится уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, и поэтому стремится выйти из клетки.

Тут ещё важно понять, что ионы натрия и калия как бы "не замечают" друг друга, они реагируют только "на самих себя". Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но "не обращает внимания" на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и "не замечает" натрий. Получается, что для понимания поведения ионов в клетке надо по-отдельности сравнивать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно - концентрацию калия внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это часто делается в учебниках.

По закону выравнивания концентраций, который действует в растворах, натрий "хочет" снаружи войти в клетку. Но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Его заходит немножко и клетка его опять тут же обменивает на наружный калий. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Так вот он и выходит наружу через особые белковые дырочки в мембране (ионные каналы).

Анализ

От химического - к электрическому

А теперь - самое главное, следите за излагаемой мыслью! Мы должны перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов.

Калий заряжен положительным зарядом, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только себя, но и "плюсики" (положительные заряды). На их месте в клетке остаются "минусы" (отрицательные заряды). Это и есть мембранный потенциал покоя!

Мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных зарядов внутри клетки, образовавшийся за счёт утечки из клетки положительных ионов калия.

Заключение

Рис. Схема формирования потенциала покоя (ПП). Автор благодарит Попову Екатерину Юрьевну за помощь в создании рисунка.

Составные части потенциала покоя

Потенциал покоя - отрицательный со стороны клетки и состоит как бы из двух частей.

1. Первая часть - это примерно -10 милливольт, которые получаются от неравносторонней работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает "плюсиков" с натрием, чем закачивает обратно с калием).

2. Вторая часть - это утекающий всё время из клетки калий, утаскивающий положительные заряды из клетки. Он дает большую часть мембранного потенциала, доводя его до -70 милливольт.

Калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход сравняются) только при уровне электроотрицательности клетки в -90 милливольт. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который тащит с собой свои положительные заряды. И в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне -70 милливольт.

Обратите внимание на то, что для создания потенциала покоя нужны затраты энергии. Эти затраты производятся ионными насосами, которые обменивают "свой" внутренний натрий (ионы Na +) на "чужой" внешний калий (K +). Вспомним, что ионные насосы являются ферментами АТФазами и расщепляют АТФ, получая из неё энергию на указанный обмен ионов разного типа друг на друга.Тут очень важно понять, что с мембраной "работают" сразу 2 потенциала: химический (концентрационный градиент ионов) и электрический (разность электрических потенциалов по разные стороны мембраны). Ионы перемещаются в ту или иную сторону под действием обеих этих сил, на которые и тратится энергия. При этом один из двух потенциалов (химический или электрический) уменьшается, а другой увеличивается. Разумеется, если рассматривать электрический потенциал (разность потенциалов) отдельно, то не будут учитываться "химические" силы, перемещающие ионы. И тогда может сложиться неверное впечатление о том, что энергия на движение ионо берётся как бы ниоткуда. Но это не так. Необходимо рассматривать обе силы: химическую и электрическую. При этом крупные молекулы с отрицательными зарядами, находящиеся внутри клетки играют роль "статистов", т.к. их не перемещают через мембрану ни химические, ни электрические силы. Поэтому эти отрицательные частицы обычно и не рассматривают, хотя они существуют и именно они обеспечивают отрицательную сторону разности потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны. А вот шустрые ионы калия, как раз способны к перемещению, и именно их утечка из клетки под действием химических сил создаёт львиную долю электрического потенциала (разности потенциалов). Ведь именно ионы калия перемещают на наружную сторону мембраны положительные электрические заряды, будучи положительно заряженными частицами.

Так что всё дело в натрий-калиевом мембранном насосе-обменнике и последующем вытекании из клетки "лишнего" калия. За счёт потери положительных зарядов при этом вытекании внутри клетки нарастает электроотрицательность. Она-то и есть "мембранный потенциал покоя". Он измеряется внутри клетки и составляет обычно -70 мВ.

Выводы

Говоря образно, "мембрана превращает клетку в "электрическую батарейку" с помощью управления ионными потоками".

Мембранный потенциал покоя образуется за счёт двух процессов:

1. Работа калий-натриевого насоса мембраны.

Работа калий-натриевого насоса, в свою очередь, имеет 2 следствия:

1.1. Непосредственное электрогенное (порождающее электрические явления) действие ионного насоса-обменника. Это создание небольшой электроотрицательности внутри клетки (-10 мВ).

Виноват в этом неравный обмен натрия на калий. Натрия выбрасывается из клетки больше, чем поступает в обмен калия. А вместе с натрием удаляется и больше "плюсиков" (положительных зарядов), чем возвращается вместе с калием. Возникает небольшой дефицит положительных зарядов. Мембрана изнутри заряжается отрицательно (примерно -10 мВ).

1.2. Создание предпосылок для возникновения большой электроотрицательности.

Эти предпосылки - неравная концентрация ионов калия внутри и снаружи клетки. Лишний калий готов выходить из клетки и выносить из неё положительные заряды. Об этом мы скажем сейчас ниже.

2. Утечка ионов калия из клетки.

Из зоны повышенной концентрации внутри клетки ионы калия выходят в зону пониженной концентрации наружу, вынося заодно положительные электрические заряды. Возникает сильный дефицит положительных зарядов внутри клетки. В итоге мембрана дополнительно заряжается изнутри отрицательно (до -70 мВ).

Финал

Калий-натриевый насос создает предпосылки для возникновения потенциала покоя. Это - разность в концентрации ионов между внутренней и наружной средой клетки. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка клетки выравнять концентрацию ионов по калию приводит к потере калия, потере положительных зарядов и порождает электроотрицательность внутри клетки. Эта электроотрицательность составляет большую часть потенциала покоя. Меньшую его часть составляет непосредственная электрогенность ионного насоса, т.е. преобладающие потери натрия при его обмене на калий.

Видео: Мембранный потенциал покоя (Resting membrane potential)

Установлено, что наиболее важными ионами, определяющими мембранные потенциалы клеток, являются неорганические ионы К + , Na + , СГ, а также в ряде случаев Са 2 + . Хорошо известно, что концентрации этих ионов в цитоплазме и в межклеточной жидкости различаются в десятки раз.

Из табл. 11.1 видно, что концентрация ионов К + внутри клетки в 40-60 раз выше, чем в межклеточной жидкости, тогда как для Na + и СГ распределение концентраций противоположное. Неравномерное распределение концентраций этих ионов по обе стороны мембраны обеспечивается как их различной проницаемостью, так и сильным электрическим полем мембраны, которое определяется ее потенциалом покоя.

Действительно, в состоянии покоя суммарный поток ионов через мембрану равен нулю, и тогда из уравнения Не- рнста - Планка следует, что

Таким образом, в покое градиенты концентрации - и

электрического потенциала -- на мембране направлены

противоположно друг другу и поэтому в покоящейся клетке высокая и постоянная разность концентраций основных ионов обеспечивает поддержание на мембране клетки электрического напряжения, которое и называют равновесным мембранным потенциалом.

В свою очередь возникающий на мембране потенциал покоя препятствует выходу ионов из клетки К + и чрезмерному входу в нее СГ, поддерживая тем самым их концентрационные градиенты на мембране.

Полное выражение для мембранного потенциала, учитывающее потоки диффузии этих трех видов ионов, было получено Гольдманом, Ходжкиным и Катцем:

где Р к, P Na , Р С1 - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Уравнение (11.3) с высокой точностью определяет мембранные потенциалы покоя различных клеток. Из него следует, что для мембранного потенциала покоя важны не абсолютные величины проницаемостей мембраны для различных ионов, а их отношения, так как, разделив обе части дроби под знаком логарифма, например, на Р к, мы перейдем к относительным проницаемостям ионов.

В тех случаях, когда проницаемость одного из этих ионов значительно больше, чем других, уравнение (11.3) переходит в уравнение Нернста (11.1) для этого иона.

Из табл. 11.1 видно, что мембранный потенциал покоя клеток близок к потенциалу Нернста для ионов К + и СВ, но значительно отличается от него по Na + . Это свидетельствует

0 том, что в покое мембрана хорошо проницаема для ионов К + и СГ, тогда как для ионов Na + ее проницаемость очень низка.

Несмотря на то что равновесный потенциал Нернста для СГ наиболее близок к потенциалу покоя клетки, последний имеет преимущественно калиевую природу. Это обусловлено тем, что высокая внутриклеточная концентрация К + не может существенно уменьшиться, так как ионы К + должны уравновешивать внутри клетки объемный отрицательный заряд анионов. Внутриклеточные анионы представляют собой в основном крупные органические молекулы (белки, остатки органических кислот ит.п.), которые не могут пройти через каналы в клеточной мембране. Концентрация этих анионов в клетке практически постоянна и их суммарный отрицательный заряд препятствует значительному выходу калия из клетки, поддерживая вместе с Na-K-насосом его высокую внутриклеточную концентрацию . Однако основная роль в первоначальном установлении внутри клетки высокой концентрации ионов калия и низкой концентрации ионов натрия принадлежит Na-K-насосу.

Распределение ионов С1 устанавливается в соответствии с мембранным потенциалом, поскольку в клетке нет специальных механизмов поддержания концентрации СГ. Поэтому вследствие отрицательного заряда хлора его распределение оказывается обратным по отношению к распределению калия на мембране (см. табл. 11.1). Таким образом, концентрационные диффузии К + из клетки и С1 в клетку практически уравновешиваются мембранным потенциалом покоя клетки.

Что касается Na + , то в покое его диффузия направлена в клетку под действием как градиента концентрации, так и электрического поля мембраны и вход Na + в клетку ограничивается в покое только малой проницаемостью мембраны для натрия (закрыты натриевые каналы). Действительно, Ходжкин и Катц экспериментально установили, что в состоянии покоя проницаемости мембраны аксона кальмара для К + , Na + и СГ относятся как 1: 0,04: 0,45. Таким образом, в состоянии покоя клеточная мембрана малопроницаема только для Na + , а для СГ она проницаема почти так же хорошо, как и для К + . В нервных клетках проницаемость для СГ обычно ниже, чем для К + , но в мышечных волокнах проницаемость для СГ даже несколько преобладает.

Несмотря на малую проницаемость клеточной мембраны для Na + в покое, существует, хотя и весьма малый, пассивный перенос Na + в клетку. Этот ток Na + должен был бы приводить к снижению разности потенциалов на мембране и к выходу К + из клетки, что вело бы в конечном итоге к выравниванию концентраций Na + и К + по обе стороны мембраны. Этого не происходит благодаря работе Na + - К + -насоса, компенсирующего токи утечки Na + и К + и поддерживающего таким образом нормальные значения внутриклеточных концентраций этих ионов и, следовательно, нормальную величину потенциала покоя клетки.

Для большинства клеток мембранный потенциал покоя составляет (-бО)-(-ЮО) мВ. На первый взгляд может показаться, что это малая величина, но надо учесть, что толщина мембраны тоже мала (8-10 нм), так что напряженность электрического поля в клеточной мембране огромна и составляет около 10 млн вольт на 1 м (или 100 кВ на 1 см):

Воздух, например, не выдерживает такой напряженности электрического поля (электрический пробой в воздухе наступает при 30 кВ/см), а мембрана выдерживает. Это нормальное условие ее деятельности, поскольку именно такое электрическое поле необходимо для поддержания разности концентраций ионов натрия, калия и хлора на мембране.

Величина потенциала покоя, различная у клеток, может изменяться при изменении условий их жизнедеятельности. Так, нарушение биоэнергетических процессов в клетке, сопровождающееся падением внутриклеточного уровня макро- эргических соединений (в частности, АТФ), прежде всего исключает компоненту потенциала покоя, связанную с работой Ма + -К + -АТФ-азы.

Повреждение клетки приводит обычно к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различия в проницаемости мембраны для ионов калия и натрия уменьшаются; потенциал покоя при этом уменьшается, что может вызвать нарушение ряда функций клетки, например возбудимости.

• Поскольку внутриклеточная концентрация калия поддерживается почти постоянной, то даже относительно небольшие изменения внеклеточной концентрации К* могут оказывать заметное влияние на потенциалпокоя и на деятельность клетки. Подобные изменения концентрации К"в плазме крови происходят при некоторых патологиях (например, припочечной недостаточности).

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.