Мембранний потенціал спокою та дії. Загальна фізіологія збудливих тканин

Щоб провести сигнал від попередньої клітини до наступної, нейрон генерує електричні сигнали у собі. Твої рухи очима при читанні цього абзацу, відчуття м'якого крісла під попою, сприйняття музики з навушників та багато іншого засновані на тому, що всередині тебе проходять сотні мільярдів електричних сигналів. Такий сигнал може зародитися в спинному мозку і пройти до кінчика пальця ноги довгим аксоном. Або може подолати мізерно відстань у глибинах мозку, обмежуючись межами інтернейрону з короткими відростками. Будь-який нейрон, який отримав сигнал, проганяє його через своє тіло та вирости, і цей сигнал має електричну природу.

Ще 1859 року вчені змогли виміряти швидкість, з якою передаються ці електричні сигнали. Виявилося, що електрика, що передається живим аксоном, принципово відрізняється від електричного струму в металах. По металевому дроту електричний сигнал передається зі швидкістю, близькою до швидкості світла (300 000 кілометрів на секунду), адже у металі багато вільних електронів. Однак, незважаючи на цю швидкість, сигнал відчутно слабшає, долаючи великі відстані. Якби за аксонами сигнали передавалися тим самим способом, яким передаються в металах, то нервовий імпульс, що йде від нервового закінчення в шкірі великого пальця твоєї ноги, повністю загасав би, не досягаючи твого мозку — електричний опір органічної матерії занадто великий, а сигнал занадто слабкий .

Дослідження показали, що електрика передається по аксонам набагато повільніше, ніж по дротах, і що в основі цієї передачі лежить невідомий механізм, в результаті якого сигнал поширюється зі швидкістю близько 30 метрів в секунду. Електричні сигнали, що йдуть нервами, на відміну від сигналів, що йдуть по проводах, не слабшають по ходу свого руху. Причина цього в тому, що нервові закінчення не пропускають через себе сигнал пасивно, просто дозволяючи зарядженим частинкам, що є в них, передавати його один одному. Вони є в кожній своїй точці активним випромінювачем цього сигналу, ретранслюючи його, і докладний опис цього механізму вимагатиме окремого розділу. Таким чином, пожертвувавши високою швидкістю проведення нервових імпульсів, за рахунок активної передачі сигналу нейрон отримує гарантію того, що сигнал, що виник у великому пальці ноги, досягне спинного мозку, анітрохи не ослабнувши.

Щоб спостерігати проходження електричної хвилі збудження, або потенціалу дії (action potential [‘ækʃən pə’tenʃəl]), в живій клітці, досить простого пристрою: один кінець тонкого металевого дроту поміщається на зовнішню поверхню аксона сенсорного нейрона шкіри, а інший підводиться до самописця, що креслить лінію вгору при посиленні сигналу, і вниз - при ослабленні. Кожен дотик до шкіри викликає один чи кілька потенціалів дії. У разі кожного потенціалу самописець малює вузький довгий пік.

Потенціал дії сенсорного нейрона триває лише близько 0,001 секунди і включає дві фази: швидкого наростання, що досягає піку, а потім майже так само швидкого спаду збудження, що призводить до вихідного положення. І тут самописець повідомляє несподіваний факт: всі потенціали дії, що виникають в одній і тій же нервовій клітині, приблизно однакові. Це можна побачити на картинці ліворуч: всі піки, намальовані самописцем, мають приблизно одну й ту саму форму і амплітуду незалежно від того, наскільки сильним або тривалим був дотик до шкіри, що їх спричинив. Слабке погладжування або відчутний щипок будуть передані потенціалами дії однієї й тієї самої величини. Потенціал дії є постійний сигнал, що підкоряється принципу «все або нічого»: після перевищення подразником якогось порогового значення виникає завжди приблизно однаковий сигнал, не більше і не менше звичайного. А якщо подразник менше порогового значення, то сигнал зовсім не передаватиметься: наприклад, можна так легко торкнутися шкіри кінчиком пера, що цей дотик не відчуватиметься.

Принцип «все чи нічого» у виникненні потенціалу дії викликає нові питання. Як сенсорний нейрон повідомляє про силу подразника - сильний чи слабкий тиск, яскраве чи тьмяне світло? Як він повідомляє про тривалість дії подразника? Зрештою, як нейрони відрізняють один тип сенсорної інформації від іншого – наприклад, як вони відрізняють дотик від болю, світла, запаху чи звуку? І як вони відрізняють сенсорну інформацію для сприйняття моторної інформації для дії?

Еволюція вирішила питання, як повідомити про силу подразника, з допомогою використання однієї й тієї виду сигналів однієї й тієї ж величини: ця сила визначається частотою(frequency ['friːkwənsɪ]), з якої випускаються потенціали дії. Слабкий подразник, наприклад легкий дотик до руки, призводить до випромінювання всього двох-трьох потенціалів дії в секунду, у той час як сильний тиск, як при щипці або ударі по ліктю, може викликати чергу з сотні потенціалів дії в секунду. У цьому тривалість відчуття визначається тривалістю виникнення потенціалів дії.

Чи використовують нейрони різні електричні коди, повідомляючи мозку, що несуть інформацію про різні подразники, такі як біль, світло чи звук? Виявилось, що ні! Це дивно, але між потенціалами дії, що генеруються нейронами з різних сенсорних систем (наприклад, зорової чи тактильної), різниця дуже незначна! Таким чином, характер та природа відчуття не залежать від відмінностей у потенціалах дії (що відкриває досить захоплюючу перспективу для роздумів на тему «матриці» з однойменного фільму). Нейрон, що передає слухову інформацію, влаштований точно так, як нейрон з зорового нервового ланцюга, і проводять вони одні й ті ж потенціали дії, одним і тим же способом. Без знання, якого нервового ланцюга належить конкретний нейрон, лише з аналізу його функціонування неможливо визначити, яку інформацію він несе.

Природа інформації, що передається, залежить насамперед від типу збуджуваних нервових волокон і специфічних систем мозку, з якими ці волокна пов'язані. Відчуття кожного типу передаються за своїми провідними шляхами, і різновид інформації, що передається нейроном, залежить саме від шляху, до складу якого входить цей нейрон. У будь-якому сенсорному провідному шляху інформація передається від першого сенсорного нейрона (рецептора, що реагує на зовнішній подразник, наприклад, дотик, запах або світло) до спеціалізованих нейронів у спинному або головному мозку. Таким чином, зорова інформація відрізняється від слухової лише тим, що передається по інших провідних шляхах, що починаються в сітківці ока і закінчуються в ділянці мозку, що відповідає за візуальне сприйняття.

Сигнали, що посилаються від моторних нейронів мозку до м'язів, також майже ідентичні переданим сенсорним нейронам від шкіри в мозок. Вони підпорядковуються тому ж принципу «все або нічого», так само передають інтенсивність сигналу за допомогою частоти потенціалів дії, і так само результат сигналу залежить тільки від того, до якого нервового ланцюга включений цей нейрон. Таким чином, швидка низка потенціалів дії, що йде по певному провідному шляху, викликає саме рух твоїх пальців, а не, скажімо, сприйняття різнокольорових вогнів лише тому, що даний шлях пов'язаний з м'язами рук, а не з сітківкою очей.

Універсальність потенціалів дії не обмежується схожістю їхнього прояву в різних нейронах, що знаходяться в межах одного організму. Вони настільки однакові у різних тварин, що навіть навчений досвідом дослідник не здатний точно відрізнити запис потенціалу дії нервового волокна кита, миші, мавпи чи його наукового керівника. Проте потенціали дії в різних клітинах не є ідентичними: невелика різниця в їхній амплітуді і тривалості все ж таки є, і твердження «всі потенціали дії однакові» так само неточно, як і «всі бугенвіллії однакові».

Отже, кожен нейрон передає сигнал через своє тіло і відростки тим самим чином. Вся різноманітність інформації, яку ми отримуємо від сенсорних нейронів, всі рухи, які може здійснювати наше тіло — результат передачі єдиного типу сигналів усередині нейронів. Залишилася «дрібниця»: зрозуміти, що це за сигнал і як він передається.

Ми звично відокремлюємо все, що вважаємо живою природою, у тому числі і самих себе, від «неживих» речей, у тому числі металів і електричного струму, що передається через них. Тим дивніше усвідомлювати, що в наших тілах метали не просто присутні — вони потрібні, без них тіло не зможе існувати. Електричний струм - явище не разове, а безперервно виникає в сотні мільярдів нейронів, які пронизали своїми відростками все наше тіло. Прямо зараз ти можеш відчути різні ознаки його присутності: те, що ти усвідомлюєш цей текст, є результатом незліченних передач електричного струму. Почуття голоду і задоволення від запаху їжі, що готується, саме сприйняття цього запаху, дотик залетів у вікно вітру до твоєї шкіри ... Перераховувати можна нескінченно. І бажання зрозуміти, яким чином усе це відбувається, також складається з виникаючих у нейронах електричних імпульсів.

Так як метою цієї глави є повідомлення лише найзагальнішої інформації про проходження нервового імпульсу, то тут же необхідно розглянути те середовище, в якому він виникає, ті умови в клітині, які уможливлюють його виникнення і передачу. Тому варто почати з вивчення плацдарму, на якому розвиватимуться події, а саме з нейрона стан спокою (dormant state [‘dɔːmənt steɪt]).

Ще в середині минулого століття вчені виявили спосіб встановити, в якій частині нейрона існує електричний заряд. Для цього використовують вольтметр (voltmeter [‘vəultˌmiːtə]) (прилад для вимірювання напруги електричного поля) із двома електродами. Один електрод поміщають всередину нейрона, розташовуючи його близько до клітинної мембрани, а другий електрод знаходиться в навколишньому середовищі нейрон, з іншого боку тієї ж мембрани. Вольтметр показує, що з різних боків клітинної мембрани існують електричні заряди, негативний усередині клітини та позитивний зовні. Існування таких різнополюсних електричних зарядів з обох боків мембрани створює електричне поле, важливою характеристикою якого є потенціал. Потенціал, кажучи простою мовою, це здатність виконувати роботу, наприклад, роботу з перетягування зарядженої частинки з місця на місце. Чим більше негативних зарядів накопичилося з одного боку, і що більше позитивних — з іншого боку мембрани, тим сильніше створюване ними електричне полі, і з більшою силою вони здатні перетягувати туди-сюди заряджені частки. Різницю між зовнішнім та внутрішнім електричними зарядами називають мембранним потенціалом (membrane potential [‘membreɪn pə’tenʃəl]) спокою. Для нейрона він дорівнює приблизно 70 мВ (мілівольт), тобто 70 тисячних вольт або сім сотих вольт. Для порівняння, різниця потенціалів у батарейці АА дорівнює 1,5 вольта – у 20 разів більша. Тобто мембранний потенціал спокою нейрона лише в 20 разів слабший, ніж між клемами батарейки АА – досить великий, виходить. Електричний потенціал існує тільки на мембрані, і в інших частинах нейрон електрично нейтральний.

Якщо написати точніше, то мембранний потенціал спокою нейрона дорівнює -70 мВ (мінус сімдесят мілівольт). Знак мінус означає лише те, що негативний заряд знаходиться саме всередині клітини, а не зовні, і таким чином електричне поле, що створюється, здатне перетягувати через мембрану всередину клітини позитивно заряджені іони.

Діючі особи у створенні мембранного потенціалу спокою:

1 . В клітинної мембранинейрона існують канали, якими несуть електричний заряд іони можуть подорожувати крізь неї. При цьому мембрана не є лише пасивною «перегородкою» між внутрішнім середовищем нейрона і навколишнього його міжклітинної рідиною: спеціальні білки, впроваджені в плоть мембрани, відкривають і закривають ці канали, і таким чином мембрана контролює проходження іонів - атомів, що мають електричний заряд. Нагромаджуючи негативно заряджені іони всередині клітини, нейрон збільшує кількість негативних зарядів усередині, тим самим призводячи до збільшення позитивних зарядів зовні, і таким чином посилюється електричний потенціал. Так як протон має позитивний заряд, а електрон негативний, то при надлишку протонів виходить позитивно заряджений іон, а при надлишку електронів негативно заряджений. Якщо хочеться більш детальної інформації про атоми та іони, можна повернутися до . Важливо розуміти, що мембранний потенціал існує саме на межі клітинної мембрани, а рідини в цілому всередині та поза нейроном залишаються електрично нейтральними. Іони, для яких мембрана проникна, залишаються поблизу неї, оскільки позитивні та негативні заряди взаємно притягуються один до одного. В результаті зовні мембрани утворюється шар «сидять» на ній позитивних іонів, а всередині негативних. Таким чином, мембрана грає роль електричної ємності, що розділяє заряди, усередині якої є електричне поле. Мембрана тому є природним конденсатором.

2 . негативно заряджені протеїни, що знаходяться всередині нейрону біля внутрішньої поверхні мембрани. Заряд протеїнів завжди залишається тим самим і є лише частиною загального заряду внутрішньої поверхні мембрани. На відміну від іонів протеїни не можуть виходити з клітини і заходити в неї - для цього вони занадто великі. Загальний заряд змінюється залежно від кількості що знаходяться біля мембрани позитивно заряджених іонів, концентрація яких може змінюватися за рахунок їхнього переходу з клітини назовні, та ззовні всередину.

3 . позитивно заряджені іони калію (До +) можуть вільно переміщатися між внутрішнім і зовнішнім середовищем, коли нейрон перебуває у стані спокою. Переміщуються вони через постійно відкриті проточні калієві канали (flow potassium passage), якими можуть пройти тільки іони К + , і ніщо інше. Проточними називаються канали, які мають воріт, отже відкриті за будь-якому стані нейрона. Усередині клітини іонів калію набагато більше, ніж зовні. Це відбувається за рахунок постійної роботи натрій-калієвого насоса (про нього буде розказано нижче), тому в стані спокою нейрона іони К+ починають переміщатися у зовнішнє середовище, оскільки концентрація однієї й тієї ж речовини прагне вирівнятися у загальній системі. Якщо ми в басейн з водою в одному кутку виллємо якусь речовину, то його концентрація в цьому кутку буде дуже великою, а в інших частинах басейну — нульовою або дуже маленькою. Однак через деякий час ми виявимо, що концентрація цієї речовини вирівнялася по всьому басейну за рахунок броунівського руху. У цьому випадку говорять про «парціальний тиск» тієї чи іншої речовини, чи це рідина чи газ. Якщо в одному кутку басейну буде вилитий спирт, то утворюється велика різниця в концентрації спирту між цим кутом та рештою басейну. Виникне парціальний тиск молекул спирту, і вони поступово розподіляться рівномірно басейном так, що парціальний тиск зникне, оскільки концентрація молекул спирту скрізь вирівняється. Таким чином, іони К + несуть із собою позитивний заряд з нейрона, йдучи назовні за рахунок парціального тиску, який сильніший, ніж сила тяжіння негативно заряджених протеїнів, у тому випадку, якщо різниця в концентрації іонів усередині та зовні клітини досить велика. Так як усередині залишаються негативно заряджені протеїни, то таким чином на внутрішній стороні мембрани формується негативний заряд. Для ясного розуміння роботи клітинних механізмів важливо пам'ятати, що, незважаючи на постійне витікання іонів калію з клітини, всередині нейрона їх завжди більше, ніж зовні.

4 . позитивно заряджені іони натрію (Na+) знаходяться із зовнішнього боку мембрани та створюють там позитивний заряд. Під час фази спокою нейрона натрієві канали клітини закритіі Na + не можуть пройти всередину, а їх концентрація зовні підвищується за рахунок роботи натрій-калієвого насоса, що виводить їх з нейрона.

5 . роль негативно заряджених іонів хлору (Cl -)та позитивно заряджених іонів кальцію (Ca 2+)для створення мембранного потенціалу невелика, тому їхня поведінка поки що залишиться за кадром.

Формування мембранного потенціалу спокоюпроходить у два етапи:

Етап I. створюється невелика (-10 мВ) різниця потенціалів за допомогою натрій-калієвого насоса.

На відміну від інших каналів мембрани, натрій-калієвий канал здатний пропускати через себе і іони натрію, і калію. Причому Na+ може пройти крізь нього тільки з клітини назовні, а К+ зовні всередину. Один цикл роботи цього каналу включає 4 кроки:

1 . "ворота" натрій-калієвого каналу відкриті тільки з внутрішньої сторони мембрани, і туди заходять 3 Na +

2 . Присутність Na + всередині каналу впливає на нього так, що він може частково зруйнувати одну молекулу АТФ(ATP) ( аденозинтрифосфату), (adenosine triphosphate [ə’dɛnəsiːn trai’fɔsfeɪt]) яка є «акумулятором» клітини, що запасає енергію і віддає її при необхідності. При такому частковому руйнуванні, що полягає у відщепленні від кінця молекули однієї фосфатної групи PO 4 3− виділяється енергія, яка якраз і витрачається на перенесення Na + у зовнішній простір.

3 . коли канал відкривається для того, щоб Na+ вийшов назовні, він залишається відкритим, і в нього потрапляють два іони К+ – їх притягують негативні заряди протеїнів зсередини. Те, що в каналі, що містить три іони натрію, міститься всього два іони калію, цілком логічно: атом калію має більший діаметр.

4 . Присутність іонів калію тепер у свою чергу впливає на канал так, що зовнішні «ворота» закриваються, а внутрішні відкриваються, і К+ надходять у внутрішнє середовище нейрона.

Таким чином працює натрій-калієвий насос, "обмінюючи" три іони натрію на два іони калію. Так як електричний заряд у Na + і К + однаковий, виходить, що з клітини виводиться три позитивні заряди, а всередину потрапляє тільки два. За рахунок цього внутрішній позитивний заряд клітинної мембрани знижується, а зовнішній збільшується. До того ж створюється різниця в концентрації Na+ та К+ по різні боки мембрани:

=) Зовні клітини виявляється багато іонів натрію, а всередині – мало. При цьому натрієві канали закриті, і потрапити назад у клітину Na + не може, і далеко від мембрани він не йде, тому що притягується існуючим з внутрішньої сторони мембрани негативним зарядом.

=) всередині клітини багато іонів калію, а ось зовні їх мало, і це призводить до витікання К+ із клітини через відкриті під час фази спокою нейрона калієві канали.

Етап IIформування мембранного потенціалу спокою саме заснований на цьому витіканні іонів калію з нейрона. На малюнку зліва показаний іонний склад мембрани на початку другого етапу формування потенціалу спокою: безліч К + і негативно заряджених протеїнів (позначених А 4-) всередині, і обліпивши мембрану зовні Na + . Переміщаючись у зовнішнє середовище, іони калію виносять із клітини свої позитивні заряди, у своїй сумарний заряд внутрішньої мембрани знижується. Так само як позитивні іони натрію, що витекли з клітини іони калію, залишаються зовні мембрани, що притягуються внутрішнім негативним зарядом, і зовнішній позитивний заряд мембрани складається із суми зарядів Na + і К + . Незважаючи на витікання через проточні канали, всередині клітини іонів калію завжди більше ніж зовні.

Виникає питання: чому іони калію не продовжують витікати назовні до того моменту, поки їх кількість усередині клітини і поза не стане однаковою, тобто доти, поки не зникне парціальний тиск, створюваний цими іонами? Причина цього у тому, що коли К + залишають клітину, зовні збільшується позитивний заряд, а всередині утворюється надлишок негативного заряду. Це знижує б іонів калію виходити з клітини, адже зовнішній позитивний заряд їх відштовхує, а внутрішній негативний притягує. Тому через якийсь час К+ перестають випливати незважаючи на те, що у зовнішньому середовищі їх концентрація нижча, ніж у внутрішній: вплив зарядів по різні боки мембрани перевищує силу парціального тиску, тобто перевищує прагнення К+ розподілитися рівномірно в рідині всередині та поза нейрону. У момент досягнення цієї рівноваги мембранний потенціал нейрона зупиняється приблизно на -70 мВ.

Як тільки нейроном досягнуто мембранний потенціал спокою, він готовий для виникнення та проведення потенціалу дії, про який йтиметься у наступному цитологічному розділі.

Таким чином, підсумуємо: нерівномірність розподілу іонів калію та натрію по обидва боки мембрани викликана дією двох суперницьких сил: а) силою електричного тяжіння та відштовхування, та б) силою парціального тиску, що виникає при різниці в концентраціях. Робота цих двох суперників протікає в умовах існування по-різному влаштованих натрієвих, калієвих і натрієво-калієвих каналів, які виступають у ролі регуляторів дії цих сил. Калієвий канал є проточним, тобто він завжди відкритий у стані спокою нейрона, так що іони К+ можуть спокійно ходити туди-сюди під впливом сил електричного відштовхування/притягання та під впливом сили, спричинені парціальним тиском, тобто різницею у концентрації цих іонів. Натрієвий канал завжди закритий у стані спокою нейрона, тому через них іони Na ​​+ ходити не можуть. І, нарешті, натрієво-калієвий канал, влаштований так, що він працює як насос, який при кожному циклі виганяє три іони натрію назовні, і заганяє два іони калію всередину.

Вся ця конструкція забезпечує виникнення мембранного потенціалу спокою нейрона: тобто. стану, при якому досягається дві речі:

а) усередині є негативний заряд, а зовні – позитивний.

б) усередині багато іонів К+, що обліпили негативно заряджені частини протеїнів, і таким чином виникає калієвий парціальний тиск - прагнення іонів калію вийти назовні для вирівнювання концентрації.

в) зовні багато іонів Na +, що утворюють почасти пари з іонами Cl -. І таким чином виникає натрієвий парціальний тиск - прагнення іонів натрію увійти до клітини для вирівнювання концентрації.

В результаті роботи калієво-натрієвого насоса ми отримуємо три сили, що існують на мембрані: силу електричного поля та силу двох парціальних тисків. Ці сили і починають працювати, коли нейрон виходить із стану спокою.

Всі живі клітини мають здатність під впливом подразників переходити зі стану фізіологічного спокою у стан активності або збудження.

Порушення- це комплекс активних електричних, хімічних та функціональних змін у збудливих тканинах (нервової, м'язової або залізистої), якими тканина відповідає на зовнішній вплив. Важливу роль при збудженні відіграють електричні процеси, що забезпечують проведення збудження по нервових волокнах і тканини, що приводять в активний (робочий) стан.

Мембранний потенціал

Живі клітини мають важливу властивість: внутрішня поверхня клітини завжди заряджена негативно по відношенню до зовнішньої її сторони. Між зовнішньою поверхнею клітини, зарядженої електропозитивно по відношенню до протоплазми, та внутрішньою стороною клітинної мембрани існує різниця потенціалів, яка коливається в межах 60-70 мВ. За даними П. Г. Костюка (2001), у нервової клітини ця різниця коливається в межах від 30 до 70 мВ. Різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани клітини називають мембранним потенціалом,або потенціалом спокою(Рис. 2.1).

Мембранний потенціал спокою присутній на мембрані, поки клітина жива, і зникає із загибеллю клітини. Л. Гальвані ще в 1794 р. показав, що якщо пошкодити нерв або м'яз, зробивши поперечний переріз і приклавши до пошкодженої частини та до місця пошкодження електроди, з'єднані з гальванометром, то гальванометр покаже струм, який тече завжди від неушкодженої частини тканини до місця розрізу . Цю течію він назвав струмом спокою. За своєю фізіологічною сутністю струм спокою та мембранний потенціал спокою – одне й те саме. Виміряна в даному досвіді різниця потенціалів становить 30-50 мВ, оскільки при пошкодженні тканини частина струму шунтується в міжклітинному просторі та структуру рідини, що досліджується. Різницю потенціалів можна розрахувати за формулою Нернста:

де R – газова постійна, Т – абсолютна температура, F – число Фарадея, [К] вн. та [К] нар. - концентрація калію всередині та зовні клітини.

Рис. 2.1.

Причина виникнення потенціалу спокою загальна всім клітин. Між протоплазмою клітини та позаклітинним середовищем існує нерівномірний розподіл іонів (іонна асиметрія). Склад крові людини за сольовим балансом нагадує склад океанської води. Позаклітинне середовище в центральній нервовій системі також містить багато хлориду натрію. Іонний склад цитоплазми клітин бідніший. Всередині клітин в 8-10 разів менше іонів Na + і в 50 разів менше іонів С!". Основним катіоном цитоплазми є К + . Його концентрація всередині клітини в 30 разів вище, ніж у позаклітинному середовищі, і приблизно дорівнює позаклітинній концентрації Na Основними протиіонами для До + в цитоплазмі є органічні аніони, зокрема аніони аспарагінової, гістамінової та інших амінокислот.Такая асиметрія - це порушення термодинамічної рівноваги.Для того щоб відновити його, іони калію повинні поступово залишати клітину, а іони натрію - прагнути до неї. відбувається.

Першою перешкодою для вирівнювання різниці концентрацій іонів є плазматична мембрана клітини. Вона складається з подвійного шару молекул фосфоліпідів, покритих зсередини шаром білкових молекул, а зовні – шаром вуглеводів (мукополісахаридів). Деяка частина клітинних білків вбудована безпосередньо у подвійний ліпідний шар. Це внутрішні білки.

Мембранні білки всіх клітин ділять на п'ять класів: насоси, канали, рецептори, ферментиі структурні білки. Насосислужать для переміщення іонів і молекул проти концентрації градієнтів, використовуючи для цього метаболічну енергію. Білкові канали,або пори,забезпечують виборчу проникність (дифузію) через мембрану відповідних їм за розміром іонів та молекул. Рецепторні білки,які мають високу специфічність, розпізнають і пов'язують, прикріплюючи до мембрани, багато типів молекул, необхідні життєдіяльності клітини у кожний певний час. Ферментиприскорюють перебіг хімічних реакцій на поверхні мембрани. Структурні білкизабезпечують з'єднання клітин в органи та підтримання субклітинної структури.

Всі ці білки є специфічними, але не строго. У певних умовах той чи інший білок може бути одночасно і насосом, ферментом, і рецептором. Через канали мембрани молекули води, а також відповідні розмірам пор іони входять у клітину і виходять із неї. Проникність мембрани для різних катіонів не однакова і змінюється за різних функціональних станів тканини. У спокої мембрана в 25 разів більш проникна для іонів калію, ніж іонів натрію, а при збудженні натрієва проникність приблизно в 20 разів перевищує калієву. У стані спокою рівні концентрації калію в цитоплазмі та натрію у позаклітинному середовищі мають забезпечити рівну кількість позитивних зарядів по обидва боки мембрани. Але оскільки проникність для іонів калію вище в 25 разів, то калій, виходячи з клітини, робить її поверхню все більш позитивно зарядженою по відношенню до внутрішньої сторони мембрани, біля якої все більше накопичуються надто великі для пор мембрани негативно заряджені молекули аспарагінової, гістамінової та інших. амінокислот, які «відпустили» калій за межі клітини, але «не дають» йому піти далеко завдяки своєму негативному заряду. З внутрішньої сторони мембрани накопичуються негативні заряди, і з зовнішньої - позитивні. Виникає різниця потенціалів. Дифузний струм іонів натрію в протоплазму із позаклітинної рідини утримує цю різницю на рівні 60-70 мВ, не даючи їй зростати. Дифузний струм іонів натрію у спокої у 25 разів слабший, ніж зустрічний струм іонів калію. Іони натрію, проникаючи всередину клітини, знижують величину потенціалу спокою, дозволяючи їй утримуватися певному рівні. Таким чином, величина потенціалу спокою м'язових і нервових клітин, а також нервових волокон визначається співвідношенням числа позитивно заряджених іонів калію, що дифундують в одиницю часу з клітини назовні, і позитивно заряджених іонів натрію, що дифундують через мембрану в протилежному напрямку. Чим це вище, тим більше величина потенціалу спокою, і навпаки.

Другою перешкодою, яка утримує різницю потенціалів на певному рівні, є натрій-калієвий насос (рис. 2.2). Він отримав назву натрій-калієвого або іонного, оскільки здійснює активне виведення (викачування) з протоплазми іонів натрію, що проникають до неї, і введення (нагнітання) в неї іонів калію. Джерелом енергії для роботи іонного насоса є розщеплення АТФ (аденозинтрифосфата), яке відбувається під впливом ферменту аденозинтрифосфатази, локалізованого в мембрані клітини та активованого тими ж іонами, тобто калієм та натрієм (нагрій-калій-залежна АТФ-аза).

Рис. 2.2.

Це великий білок, що перевищує за розміром товщину клітинної мембрани. Молекула цього білка, пронизуючи мембрану наскрізь, пов'язує з внутрішньої сторони переважно натрій та АТФ, а із зовнішньої - калій та різні інгібітори типу глікозидів. У цьому виникає мембранний струм. Завдяки цьому струму забезпечується відповідний напрямок перенесення іонів. Перенесення іонів відбувається у три етапи. Спочатку іон з'єднується з молекулою переносника, утворюючи комплекс іон-переносник. Потім цей комплекс проходить через мембрану чи переносить через неї заряд. На завершення - іон звільняється від переносника на протилежному боці мембрани. Одночасно відбувається аналогічний процес, що переносить іони у протилежному напрямку. Якщо насос здійснює перенесення одного іону натрію на один іон калію, він просто підтримує концентраційний градієнт по обидві сторони мембрани, але не вносить вкладу в створення мембранного потенціалу. Щоб зробити цей внесок, іонний насос повинен переносити натрій і калій у співвідношенні 3:2, тобто на 2 іони калію, що надходять у клітину, з клітини він повинен виводити 3 іони натрію. Працюючи з максимальним навантаженням, кожен насос здатний перекачувати через мембрану близько 130 іонів калію та 200 іонів натрію за секунду. Це гранична швидкість. У реальних умовах робота кожного насоса регулюється відповідно до потреб клітини. Більшість нейронів однією квадратний мікрон мембранної поверхні доводиться від 100 до 200 іонних насосів. Отже, мембрана будь-якої нервової клітини містить 1 млн. іонних насосів, здатних переміщати до 200 млн. іонів натрію в секунду.

Таким чином, мембранний потенціал (потенціал спокою) створюється в результаті пасивних, так і активних механізмів. Ступінь участі тих чи інших механізмів у різних клітинах неоднакова, з чого випливає, що мембранний потенціал може бути неоднаковим у різних структурах. Активність насосів може залежати від діаметра нервових волокон: чим тонше волокно, тим відношення розміру поверхні до обсягу цитоплазми вище, відповідно, і активність насосів, необхідна підтримки різниці концентрацій іонів на поверхні і всередині волокна, повинна бути більша. Інакше кажучи, мембранний потенціал може залежати від структури нервової тканини, отже, і його функціонального призначення. Електрична поляризація мембрани - основна умова, що забезпечує збудливість клітини. Це її постійна готовність до дії. Це запас потенційної енергії клітини, який може використовувати у разі, якщо нервової системі знадобиться її негайна реакція.

Навіщо нам знати, що таке потенціал спокою?

Що таке "тварина електрика"? Звідки в організмі беруться "біоструми"? Як жива клітина, що у водному середовищі, може перетворитися на "електричну батарейку"?

На ці питання ми зможемо відповісти, якщо дізнаємось, як клітина за рахунок перерозподілуелектричних зарядів створює собі електричний потенціал на мембрані.

Як працює нервова система? З чого в ній все починається? Звідки у ній береться електрика для нервових імпульсів?

На ці питання ми також зможемо відповісти, якщо дізнаємося, як нервова клітина створює електричний потенціал на мембрані.

Отже, розуміння того, як працює нервова система, починається з того, що треба розібратися, як працює окрема нервова клітина – нейрон.

На основі роботи нейрона з нервовими імпульсами лежить перерозподілелектричних зарядівна його мембрані та зміна величини електричних потенціалів. Але щоб потенціал змінювати, його потрібно спочатку мати. Тому можна сказати, що нейрон, готуючись до своєї нервової роботи, створює на своїй мембрані електричний потенціаляк можливість для такої роботи.

Таким чином, наш перший крок до вивчення роботи нервової системи - це зрозуміти, яким чином переміщуються електричні заряди на нервових клітинах до як за рахунок цього на мембрані з'являється електричний потенцил. Цим ми і займемося, і назвемо цей процес появи електричного потенціалу у нейронів. формування потенціалу спокою.

Визначення

У нормі, коли клітина готова до роботи, вона вже має електричний заряд на поверхні мембрани. Він називається мембранний потенціал спокою .

Потенціал спокою - це різниця електричних потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани, коли клітина перебуває у стані фізіологічного спокою. Його середня величина становить -70 мВ (мілівольт).

"Потенціал" - це можливість, він схожий на поняття "потенція". Електричний потенціал мембрани - це можливості по переміщенню електричних зарядів, позитивних чи негативних. У ролі зарядів виступають заряджені хімічні частки - іони натрію та калію, а також кальцію та хлору. У тому числі лише іони хлору заряджені негативно (-), інші - позитивно (+).

Таким чином, маючи електричний потенціал, мембрана може переміщати в клітину або клітини зазначені вище заряджені іони.

Важливо розуміти, що у нервовій системі електричні заряди створюються не електронами, як і металевих проводах, а іонами - хімічними частинками, мають електричний заряд. Електричний струм в організмі та його клітинах – це потік іонів, а не електронів, як у проводах. Зверніть увагу на те, що заряд мембрани вимірюється зсерединиклітини, а чи не зовні.

Якщо говорити дуже примітивно просто, то виходить, що зовні навколо клітини переважатимуть "плюсики", тобто. позитивно заряджені іони, а всередині – "мінусики", тобто. негативно заряджені іони. Можна сказати, що всередині клітина електронегативна . І тепер нам лише треба пояснити, як це так вийшло. Хоча, звісно, ​​неприємно усвідомлювати, що це наші клітини - негативні " персонажі " . ((

Сутність

Сутність потенціалу спокою - це переважання на внутрішній стороні мембрани негативних електричних зарядів у вигляді аніонів та нестачу позитивних електричних зарядів у вигляді катіонів, які зосереджуються на зовнішній стороні, а не на внутрішній.

Усередині клітини - "негативність", а зовні - "позитивність".

Такий стан речей досягається за допомогою трьох явищ: (1) поведінки мембрани, (2) поведінки позитивних іонів калію та натрію та (3) співвідношення хімічної та електричної сили.

1. Поведінка мембрани

У поведінці мембрани для потенціалу спокою важливі три процеси:

1) Обмін внутрішніх іонів натрію на зовнішні іони калію. Обміном займаються спеціальні транспортні структури мембрани: іонні насоси-обмінники. У такий спосіб мембрана перенасичує клітину калієм, але збіднює натрієм.

2) Відкриті калієві іонні канали. Через них калій може як заходити у клітку, і виходити з неї. Він виходить здебільшого.

3) Закриті натрієві іонні канали. Через це натрій, виведений із клітини насосами-обмінниками, неспроможна повернутися до неї назад. Натрієві канали відкриваються лише за особливих умов - і тоді потенціал спокою порушується та зміщується у бік нуля (це називається деполяризацієюмембрани, тобто. зменшенням полярності).

2. Поведінка іонів калію та натрію

Іони калію та натрію по-різному переміщуються через мембрану:

1) Через іонні насоси-обмінники натрій виводиться насильно з клітини, а калій затягується в клітину .

2) Через постійно відкриті калієві канали калій виходить з клітини, але може і повертатися в неї назад через них.

3) Натрій " хоче " ввійти у клітину, але " неспроможна " , т.к. канали йому закриті.

3. Співвідношення хімічної та електричної сили

По відношенню до іонів калію між хімічною та електричною силою встановлюється рівновага на рівні – 70 мВ.

1) Хімічна сила виштовхує калій із клітини, але прагне затягнути до неї натрій.

2) Електрична сила прагне затягнути у клітину позитивно заряджені іони (як натрій, і калій).

Формування потенціалу спокою

Спробую розповісти коротко, звідки береться мембранний потенціал спокою у нервових клітинах – нейронах. Адже наші клітини тільки зовні позитивні, а всередині вони дуже негативні, і в них існує надлишок негативних частинок - аніонів і нестача позитивних частинок - катіонів.

І ось тут дослідника і студента чекає одна з логічних пасток: внутрішня електронегативність клітини виникає не через появу зайвих негативних частинок (аніонів), а навпаки - через втрату певної кількості позитивних частинок (катіонів).

І тому сутність нашої розповіді полягатиме не в тому, що ми пояснимо, звідки беруться негативні частинки в клітці, а в тому, що ми пояснимо, яким чином нейрони отримують дефіцит позитивно заряджених іонів - катіонів.

Куди ж подінуться з клітини позитивно заряджені частки? Нагадаю, що це іони натрію – Na + та калію – K + .

Натрій-калієвий насос

А вся справа полягає в тому, що у мембрані нервової клітини постійно працюють насоси-обмінники , утворені спеціальними білками, вбудованими у мембрану Що вони роблять? Вони змінюють "власний" натрій клітини на зовнішній "чужий" калій. Через це в клітині виявляється, зрештою, недолік натрію, який пішов на обмін. І водночас клітина переповнюється іонами калію, що у неї натягли ці молекулярні насоси.

Щоб легше було запам'ятати, образно можна сказати так: Клітина любить калій!(Хоча про справжнє кохання тут не може йтися і мови!) Тому вона і затягує калій у себе, незважаючи на те, що його і так повно. Тому вона невигідно обмінює його на натрій, віддаючи 3 іони натрію за 2 іони калію. вона витрачає на цей обмін енергію АТФ.І як витрачає!До 70% всіх енерговитрат нейрона може йти на роботу натрій-калієвих насосів.От що робить кохання, нехай навіть не справжнє!

До речі, цікаво, що клітина не народжується із потенціалом спокою у готовому вигляді. Наприклад, при диференціювання та злиття міобластів потенціал їхньої мембрани змінюється від -10 до -70 mV, тобто. їхня мембрана стає більш електронегативною, вона поляризується в процесі диференціювання. А в експериментах на мультипотентних мезенхімальних стромальних клітин (ММСК) кісткового мозку людиништучна деполяризація інгібувала диференціювання клітин (Fischer-Lougheed J., Liu JH, Espinos E. et al. Fischer-Lougheed J. et al. 1998; differentiation of mesenchymal stem cells.Plos One 2008;3).

Образно кажучи, можна сказати так:

Створюючи потенціал спокою, клітина "заряджається коханням".

Це любов до двох речей:

1) любов клітини до калію,

2) любов калію до свободи.

Як не дивно, але результат цих двох видів кохання – порожнеча!

Саме вона, порожнеча, створює у клітині негативний електричний заряд – потенціал спокою. Точніше, негативний потенціал створюютьпорожні місця, що залишилися від калію, що втік з клітини.

Отже, результат діяльності мембранних іонних насосів-обмінників такий:

Натрій-калієвий іонний насос-обмінник створює три потенціали (можливості):

1. Електричний потенціал – можливість затягувати всередину клітини позитивно заряджені частинки (іони).

2. Іонний натрієвий потенціал – можливість затягувати всередину клітини іони натрію (і саме натрію, а не якісь інші).

3. Іонний калієвий потенціал - можливість виштовхувати з клітини іони калію (і саме калію, а не якісь інші).

1. Дефіцит натрію (Na+) у клітині.

2. Надлишок калію (K+) у клітині.

Можна сказати так: іонні насоси мембрани створюють різницю концентраційіонів, або градієнт (перепад)концентрації, між внутрішньоклітинним та позаклітинним середовищем.

Саме через дефіцит натрію в клітину тепер "полізе" цей самий натрій зовні. Так завжди поводяться речовини: вони прагнуть вирівняти свою концентрацію у всьому обсязі розчину.

І водночас у клітині вийшов надлишок іонів калію проти зовнішнім середовищем. Тому що насоси мембрани накачали їх у клітину. І він прагне зрівняти свою концентрацію всередині та зовні, і тому прагне вийти із клітини.

Тут ще важливо зрозуміти, що іони натрію і калію як би не помічають один одного, вони реагують тільки на самих себе. Тобто. натрій реагує на концентрацію ж натрію, але "не звертає уваги" на те, скільки навколо калію. І навпаки, калій реагує лише на концентрацію калію та "не помічає" натрій. Виходить, що для розуміння поведінки іонів у клітині треба окремо порівнювати концентрації іонів натрію і калію. Тобто. треба окремо порівняти концентрацію по натрію всередині та зовні клітини та окремо – концентрацію калію всередині та зовні клітини, але не має сенсу порівнювати натрій з калієм, як це часто робиться у підручниках.

За законом вирівнювання концентрацій, що діє у розчинах, натрій "хоче" зовні увійти до клітини. Але не може, тому що мембрана у звичайному стані погано його пропускає. Його заходить трошки і клітина його знову відразу обмінює на зовнішній калій. Тому натрій у нейронах завжди у дефіциті.

А ось калій може легко виходити з клітини назовні! У клітці його повно, і вона його не може втримати. Так ось він і виходить назовні через спеціальні білкові дірочки в мембрані (іонні канали).

Аналіз

Від хімічного – до електричного

А тепер - найголовніше, стежте за думкою, що викладається! Ми маємо перейти від руху хімічних частинок до руху електричних зарядів.

Калій заряджений позитивним зарядом, і тому, коли виходить із клітини, виносить із неї як себе, а й " плюски " (позитивні заряди). На місці в клітині залишаються " мінуси " (негативні заряди). Це і є мембранний потенціал спокою!

Мембранний потенціал спокою - це дефіцит позитивних зарядів усередині клітини, що утворився рахунок витоку з клітини позитивних іонів калію.

Висновок

Рис. Схема формування потенціалу спокою (ВП). Автор дякує Попову Катерині Юріївні за допомогу у створенні малюнка.

Складові частини потенціалу спокою

Потенціал спокою - негативний із боку клітини і складається з двох частин.

1. Перша частина - це приблизно -10 мл, які виходять від нерівносторонньої роботи мембранного насоса-обмінника (адже він більше викачує "плюсиків" з натрієм, ніж закачує назад з калієм).

2. Друга частина - це витікає весь час з клітини калій, що забирає позитивні заряди з клітини. Він дає більшу частину мембранного потенціалу, доводячи його до -70 мілівольт.

Калій перестане виходити з клітини (точніше, його вхід і вихід зрівняються) тільки при рівні електронегативності клітини -90 мілівольт. Але цьому заважає постійно натрій, що підтікає в клітину, який тягне з собою свої позитивні заряди. І в клітині підтримується рівноважний стан на рівні -70 мілівольт.

Зверніть увагу, що для створення потенціалу спокою потрібні витрати енергії. Ці витрати виробляються іонними насосами, які обмінюють "свій" внутрішній натрій (іони Na+) на "чужий" зовнішній калій (K+). Згадаймо, що іонні насоси є ферментами АТФазами і розщеплюють АТФ, отримуючи з неї енергію на вказаний обмін іонів різного типу один на одного. різницю електричних потенціалів з різних боків мембрани). Іони переміщуються у той чи інший бік під дією обох цих сил, куди й витрачається енергія. При цьому один із двох потенціалів (хімічний або електричний) зменшується, а інший збільшується. Зрозуміло, якщо розглядати електричний потенціал (різницю потенціалів) окремо, то не враховуватимуться "хімічні" сили, що переміщують іони. І тоді може скластися неправильне враження про те, що енергія на рух іоно береться ні звідки. Але це не так. Необхідно розглядати обидві сили: хімічну та електричну. У цьому великі молекули з негативними зарядами, що усередині клітини грають роль " статистів " , т.к. їх переміщують через мембрану ні хімічні, ні електричні сили. Тому ці негативні частинки зазвичай і не розглядають, хоча вони існують і саме вони забезпечують негативну сторону різниці потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. А ось спритні іони калію, якраз здатні до переміщення, і саме їх витік із клітини під дією хімічних сил створює левову частку електричного потенціалу (різниці потенціалів). Адже саме іони калію переміщують на зовнішню сторону мембрани позитивні електричні заряди, будучи позитивно зарядженими частинками.

Так що вся справа в натрій-калієвому мембранному насосі-обміннику та подальшому витіканні з клітини "зайвого" калію. За рахунок втрати позитивних набоїв при цьому витіканні всередині клітини наростає електронегативність. Вона і є "мембранний потенціал спокою". Він вимірюється всередині клітини і зазвичай становить -70 мВ.

Висновки

Говорячи образно, "мембрана перетворює клітину на "електричну батарейку" за допомогою управління іонними потоками".

Мембранний потенціал спокою утворюється за рахунок двох процесів:

1. Робота калій-натрієвого насоса мембрани.

Робота калій-натрієвого насоса, у свою чергу, має 2 наслідки:

1.1. Безпосередня електрогенна (що породжує електричні явища) дія іонного насоса-обмінника. Це створення невеликої електронегативності всередині клітини (-10 мВ).

Винен у цьому нерівний обмін натрію на калій. Натрію викидається з клітини більше, ніж надходить в обмін калію. А разом із натрієм видаляється і більше "плюсиків" (позитивних зарядів), ніж повертається разом із калієм. Виникає невеликий дефіцит позитивних зарядів. Мембрана зсередини заряджається негативно (приблизно -10 мВ).

1.2. Створення передумов виникнення великої электроотрицательности.

Ці причини - нерівна концентрація іонів калію всередині та зовні клітини. Зайвий калій готовий виходити з клітини та виносити з неї позитивні заряди. Про це ми скажемо зараз нижче.

2. Витік іонів калію із клітини.

Із зони підвищеної концентрації всередині клітини іони калію виходять у зону зниженої концентрації назовні, виносячи заодно позитивні електричні заряди. Виникає сильний дефіцит позитивних зарядів усередині клітини. Через війну мембрана додатково заряджається зсередини негативно (до -70 мВ).

Фінал

Калій-натрієвий насос створює передумови виникнення потенціалу спокою. Це - різниця в концентрації іонів між внутрішнім та зовнішнім середовищем клітини. Окремо проявляє себе різниця концентрації по натрію та різниця концентрації по калію. Спроба клітини вирівняти концентрацію іонів за калієм призводить до втрати калію, втрати позитивних зарядів і породжує електронегативність усередині клітини. Ця електронегативність становить більшу частину потенціалу спокою. Найменшу його частину становить безпосередня електрогенність іонного насоса, тобто. переважаючі втрати натрію за його обміні на калій.

Відео: Мембранний потенціал спокою (Resting membrane potential)

Встановлено, що найбільш важливими іонами, що визначають мембранні потенціали клітин, є неорганічні іони К+, Na+, СГ, а також у ряді випадків Са2+. Добре відомо, що концентрації цих іонів у цитоплазмі та міжклітинній рідині розрізняються в десятки разів.

З табл. 11.1 видно, що концентрація іонів К+ усередині клітини у 40-60 разів вище, ніж у міжклітинній рідині, тоді як для Na+ та СГ розподіл концентрацій протилежний. Нерівномірний розподіл концентрацій цих іонів з обох боків мембрани забезпечується як їх різною проникністю, так і сильним електричним полем мембрани, яке визначається її потенціалом спокою.

Дійсно, у стані спокою сумарний потік іонів через мембрану дорівнює нулю, і тоді з рівняння Нернста - Планка випливає, що

Таким чином, у спокої градієнти концентрації - і

електричного потенціалу - на мембрані спрямовані

протилежно один одному і тому в клітці, що покоїться, висока і постійна різниця концентрацій основних іонів забезпечує підтримку на мембрані клітини електричної напруги, яку і називають рівноважним мембранним потенціалом.

У свою чергу, що виникає на мембрані потенціал спокою перешкоджає виходу іонів з клітини К + і надмірному входу в неї СГ, підтримуючи тим самим їх концентраційні градієнти на мембрані.

Повне вираження для мембранного потенціалу, що враховує потоки дифузії цих трьох видів іонів, отримано Гольдманом, Ходжкіним і Катцем:

де Р до, P Na , Р С1 – проникність мембрани для відповідних іонів.

Рівняння (11.3) із високою точністю визначає мембранні потенціали спокою різних клітин. З нього випливає, що для мембранного потенціалу спокою важливі не абсолютні величини проникності мембрани для різних іонів, а їх відносини, оскільки розділивши обидві частини дробу під знаком логарифму, наприклад, на Р к, ми перейдемо до відносних проникностей іонів.

У тих випадках, коли проникність одного з цих іонів значно більша за інші, рівняння (11.3) переходить у рівняння Нернста (11.1) для цього іона.

З табл. 11.1 видно, що мембранний потенціал спокою клітин близький до потенціалу Нернста для іонів К+ та СВ, але значно відрізняється від нього за Na+. Це свідчить

0 тому, що у спокої мембрана добре проникна для іонів К+ та СГ, тоді як для іонів Na+ її проникність дуже низька.

Незважаючи на те, що рівноважний потенціал Нернста для СГ найбільш близький до потенціалу спокою клітини, останній має переважно калієву природу. Це зумовлено тим, що висока внутрішньоклітинна концентрація К+ не може суттєво зменшитись, оскільки іони К+ повинні врівноважувати всередині клітини об'ємний негативний заряд аніонів. Внутрішньоклітинні аніони являють собою переважно великі органічні молекули (білки, залишки органічних кислот тощо), які не можуть пройти через канали в клітинній мембрані. Концентрація цих аніонів у клітині практично постійна та їх сумарний негативний заряд перешкоджає значному виходу калію з клітини, підтримуючи разом із Na-K-насосом його високу внутрішньоклітинну концентрацію. Проте основна роль початковому встановленні всередині клітини високої концентрації іонів калію і низької концентрації іонів натрію належить Na-K-насосу.

Розподіл іонів С1 встановлюється відповідно до мембранного потенціалу, оскільки в клітині немає спеціальних механізмів підтримки концентрації СГ. Тому внаслідок негативного заряду хлору його розподіл виявляється зворотним стосовно розподілу калію на мембрані (див. табл. 11.1). Таким чином, концентраційні дифузії К+ із клітини та С1 у клітину практично врівноважуються мембранним потенціалом спокою клітини.

Що стосується Na + , то в спокої його дифузія спрямована в клітину під дією градієнта концентрації, так і електричного поля мембрани і вхід Na + в клітину обмежується в спокої лише малою проникністю мембрани для натрію (закриті натрієві канали). Справді, Ходжкін і Катц експериментально встановили, що у стані спокою проникності мембрани аксона кальмара для К+, Na+ та СГ відносяться як 1:0,04:0,45. Таким чином, у стані спокою клітинна мембрана малопроникна тільки для Na +, а для СГ вона проникна майже так само добре, як і для К+. У нервових клітинах проникність для СГ зазвичай нижче, ніж К + , але у м'язових волокнах проникність для СГ навіть трохи переважає.

Незважаючи на малу проникність клітинної мембрани для Na+ у спокої, існує, хоч і дуже малий, пасивний перенесення Na+ у клітину. Цей струм Na+ мав би призводити до зниження різниці потенціалів на мембрані і до виходу К+ із клітини, що вело б у кінцевому підсумку до вирівнювання концентрацій Na+ та К+ з обох боків мембрани. Цього не відбувається завдяки роботі Na + - К + -насоса, що компенсує струми витоку Na + і К + і таким чином підтримує нормальні значення внутрішньоклітинних концентрацій цих іонів і, отже, нормальну величину потенціалу спокою клітини.

Для більшості клітин мембранний потенціал спокою становить (-бО)-(-ЮО) мВ. На перший погляд може здатися, що це мала величина, але треба врахувати, що товщина мембрани теж мала (8-10 нм), так що напруженість електричного поля в клітинній мембрані є величезною і становить близько 10 млн вольт на 1 м (або 100 кВ на 1 см):

Повітря, наприклад, не витримує такої напруженості електричного поля (електричний пробій у повітрі настає за 30 кВ/см), а мембрана витримує. Це нормальна умова її діяльності, оскільки саме таке електричне поле необхідне підтримки різниці концентрацій іонів натрію, калію та хлору на мембрані.

Величина потенціалу спокою, різна у клітин, може змінюватись за зміни умов їх життєдіяльності. Так, порушення біоенергетичних процесів у клітині, що супроводжується падінням внутрішньоклітинного рівня макро-ергічних сполук (зокрема, АТФ), перш за все виключає компонент потенціалу спокою, пов'язаний з роботою Ма + -К + -АТФ-ази.

Ушкодження клітини зазвичай призводить до підвищення проникності клітинних мембран, внаслідок чого відмінності в проникності мембрани для іонів калію і натрію зменшуються; потенціал спокою при цьому зменшується, що може спричинити порушення ряду функцій клітини, наприклад, збудливості.

• Оскільки внутрішньоклітинна концентрація калію підтримується майже постійною, то навіть відносно невеликі зміни позаклітинної концентрації К* можуть помітно впливати на потенціал спокою і на діяльність клітини. Подібні зміни концентрації К в плазмі крові відбуваються при деяких патологіях (наприклад, приниркової недостатності).

Мембрана всіх живих клітин поляризована. Внутрішня сторона мембрани має негативний заряд у порівнянні з міжклітинним простором (рис. 1). Величина заряду, який несе мембрана називається мембранним потенціалом (МП). У незбудливих тканинах МП низький і становить близько -40 мВ. У збудливих тканинах він високий, близько -60 - -100 мВ і називається потенціалом спокою (ПП).

Потенціал спокою, як і будь-який мембранний потенціал, формується за рахунок виборчої проникності клітинної мембрани. Як відомо, плазмолема складається з ліпідного бісла, через який рух заряджених молекул утруднений. Білки, вбудовані в мембрану, можуть вибірково змінювати проникність мембрани для різних іонів, залежно від стимулів, що приходять. При цьому для формування потенціалу спокою провідну роль відіграють іони калію, крім них важливі іони натрію і хлору.

Рис. 1.Концентрація та розподіл іонів з внутрішньої та зовнішньої сторони мембрани.

Більшість іонів розподіляються нерівномірно із внутрішньої та зовнішньої сторони клітини (рис. 1). Усередині клітини концентрація іонів калію вища, а натрію та хлору – нижча, ніж зовні. У стані спокою мембрана проникна для іонів калію та практично непроникна для іонів натрію та хлору. Незважаючи на те, що калій може вільно виходити з клітини, його концентрації залишаються незмінними завдяки негативному заряду на внутрішній стороні мембрани. Таким чином, на калій діють дві сили, що перебувають у рівновазі: осмотичні (градієнт концентрації К+) та електричні (заряд мембрани), завдяки чому число іонів калію, що входять у клітину, одно виходять. Рух калію здійснюється через калієві канали витокувідкриті у стані спокою. Величину заряду мембрани, при якій іони калію знаходяться в рівновазі, можна обчислити за рівнянням Нернста:

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

де Е до - рівноважний потенціал для К +; R - газова постійна; Т - абсолютна температура; F - число Фарадея; n - валентність К + (+1), [К + н] - [К + вн] - зовнішня та внутрішня концентрації К +.

Якщо підставити рівняння значення з таблиці на рис. 43, ми отримаємо величину рівноважного потенціалу, рівну приблизно -95 мВ. Це значення вписується у діапазон мембранного потенціалу збудливих клітин. Відмінності ПП різних клітин (навіть збудливих) можуть виникати з трьох причин:

• відмінності внутрішньоклітинної та позаклітинної концентрацій іонів калію в різних тканинах (у таблиці наведені дані щодо середньостатистичного нейрона);
• натрій-калієва АТФаза може робити свій внесок у значення заряду, так як вона виводить з клітини 3 Na + в обмін на 2 К +;
• незважаючи на мінімальну проникність мембрани для натрію та хлору, ці іони все-таки можуть потрапляти у клітини, хоч і від 10 до 100 разів гірші, порівняно з калієм.

Щоб врахувати проникнення інших іонів у клітину, існує рівняння Нернста-Гольдмана:

Ем = 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,

Де Еm - мембранний потенціал; R- Газова постійна; Т- Аб-солютна температура; F- Число Фарадея; Р K , P Naі Р Cl -константи проникності мембрани для К + Na + і Сl відповідно; [До+ н ], , , , [Сl - н] і [Сl - вн] - концентрації K +, Na + і Сl зовні (н) і всередині (вн) клітини.

Таке рівняння дозволяє встановити точнішу величину ПП. Зазвичай, мембрана виявляється на кілька мВ менш поляризована порівняно з рівноважним потенціалом для К + .

Потенціал дії (ПД)може виникати у збудливих клітинах. Якщо на нерв або м'яз завдати роздратування вище порога збудження, то ПП нерва або м'язи швидко зменшиться і на короткий проміжок часу (мілісекунда) відбудеться короткочасна перезарядка мембрани: її внутрішня сторона стане позитивно зарядженою щодо зовнішньої, після чого відновиться ПП. Ця короткочасна зміна ПП, що відбувається при збудженні клітини називається потенціалом дії.

Виникнення ПД можливе завдяки тому, що, на відміну від іонів калію, іони натрію далекі від рівноваги. Якщо підставити на рівняння Нернста натрій замість калію, ми отримаємо рівноважний потенціал, рівний приблизно +60 мВ. Під час ПД відбувається короткочасне збільшення проникності для Na + . При цьому натрій почне проникати в клітину під дією двох сил: по градієнту концентрації і заряду мембрани, прагнучи підлаштувати заряд мембрани під свій рівноважний потенціал. Рух натрію здійснюється за потенціал-залежним натрієвих каналів, які відкриваються у відповідь зміщення мембранного потенціалу, після чого самі інактивуються.

Рис. 2.Потенціал дії нервового волокна (А) та зміна провідності мембрани для іонів натрію та калію (Б).

На записі ПД виглядає як короткочасний пік (рис. 44), що має кілька фаз.

1. Деполяризація (фаза наростання) (рис. 44) – збільшення проникності для натрію через відкриття натрієвих каналів. Натрій прагне свого рівноважного потенціалу, але з досягає його, оскільки канал встигає инактивироваться.
2. Реполяризація – повернення заряду до величини потенціалу спокою. Крім калієвих каналів витоку тут підключаються потенціал-залежні калієві канали (активуються від деполяризації). У цей час калій виходить із клітини, повертаючись до свого рівноважного потенціалу.
3. Гіперполяризація (не завжди) – виникає у випадках, якщо рівноважний потенціал за калієм перевищує за модулем ПП. Повернення до ПП відбувається після повернення до рівноважного потенціалу К + .

Під час ПД відбувається зміна полярності заряду мембрани. Фаза ПД, за якої заряд мембрани позитивний, називається овершутом(Рис. 2).

Для генерації ПД виявляється дуже важливою система активації та інактивації потенціал-керованих натрієвих каналів(Рис. 3). Ці канали мають дві стулки: активаційну (М-ворота) та інактиваційну (Н-ворота). У стані спокою М-ворота відкриті, а Н-ворота закриті. Під час деполяризації мембрани М-коміра швидко відкриваються, а Н-коміра починають закриватися. Струм натрію в клітину можливий поки що М-ворота вже відкриті, а Н-ворота ще не закрилися. Вхід натрію призводить до подальшої деполяризації клітини, що призводить до відкриття більшої кількості каналів і запускаючи ланцюжок позитивного зворотного зв'язку. Деполяризація мембрани буде продовжуватися до тих пір, поки всі потенціал-керовані натрієві канали не виявляться інактивованими, що відбувається на піку ПД. Мінімальна величина стимулу, що веде до виникнення ПД називається пороговий. Таким чином, ПД буде підпорядковуватися закону «все або нічого» і його величина не залежатиме від величини стимулу, що викликав ПД.

Завдяки Н-воротам інактивація каналу відбувається раніше, ніж потенціал на мембрані досягне рівноважної величини натрію. Після припинення надходження натрію в клітину, відбувається реполяризація за рахунок іонів калію, що виходять з клітини. При цьому до каналів витоку в цьому випадку підключаються ще й калієві канали, що потеніал-активуються. Під час реполяризації, швидкому натрієвому каналі швидко закриваються М-ворота. Н-ворота відкриваються набагато повільніше і залишаються закритими ще кілька днів після повернення заряду до потенціалу спокою. Цей період прийнято називати періодом рефрактерності.

Рис. 3.Робота потенціал-керованого натрієвого каналу.

Концентрації іонів усередині клітини відновлює натрій-калієва АТФаза, яка з витратою енергії у вигляді АТФ відкачує з клітини 3 іона натрію та закачує 2 іона калію.

По немієлінізованого волокнаабо по мембрані м'яза потенціал дії поширюється безперервно. Виниклий потенціал дії за рахунок електричного поля здатний деполяризувати мембрану сусідньої ділянки до порогового значення, у результаті чого на сусідній ділянці виникає деполяризація. Головну роль виникненні потенціалу новому ділянці мембрани попередня ділянка. У цьому кожному ділянки відразу після ПД настає період рефрактерності, з допомогою яке ПД поширюється односпрямовано. За інших рівних умов поширення потенціалу дії по немиелинизированному аксону відбувається тим швидше, що більше діаметр волокна. У ссавців швидкість становить 1-4 м/с. Оскільки у безхребетних тварин відсутній мієлін, у гігантських аксонах кальмара швидкість ПД може досягати 100 м/с.

По мієлінізованому волокнупотенціал дії поширюється стрибкоподібно (сальтаторне проведення). Для мієлінізованих волокон характерна концентрація потенціалзалежних іонних каналів тільки в областях перехоплень Ранв'є; тут їх щільність у 100 разів більша, ніж у мембранах неміелінізованих волокон. В області мієлінових муфт потенціалзалежних каналів майже немає. Потенціал дії, що виник в одному перехопленні Ранв'є, за рахунок електричного поля деполяризує мембрану сусідніх перехоплень до порогового значення, що призводить до виникнення в них нових потенціалів дії, тобто збудження переходить стрибкоподібно, від одного перехоплення до іншого. У разі пошкодження одного перехоплення Ранв'є потенціал дії збуджує 2-й, 3-й, 4-й і навіть 5-й, оскільки електроізоляція, створювана мієліновими муфтами, зменшує розсіювання електричного поля. Сальтаторне проведення збільшує швидкість проведення ПД 15-20 разів до 120 м/с.

Робота нейронів

Нервова система складається з нейронів та гліальних клітин. Однак, головну роль у проведенні та передачі нервових імпульсів грають нейрони. Вони отримують інформацію від багатьох клітин по дендритам, аналізують її і передають або не передають на наступний нейрон.

Передача нервового імпульсу з однієї клітини в іншу здійснюється за допомогою синапсів. Розрізняють два основні типи синапсів: електричні та хімічні (рис. 4). Завдання будь-якого синапсу - передати інформацію з пресинаптичної мембрани(мембрана аксона) на постсинаптичну(мембрана дендриту, іншого аксона, м'яза або іншого органу-мішені). Більшість синапсів нервової системи утворюється між закінченням аксонів та дендритами, які в області синапсу утворюють дендритні шипики.

Перевага електричного синапсуполягає в тому, що сигнал з однієї клітини в іншу переходить без затримки. Крім того, такі синапси не стомлюються. Для цього пре- та постсинаптичні мембрани з'єднані поперечними містками, через які іони з однієї клітини можуть переміщатися в іншу. Проте істотним мінусом такої системи є відсутність односпрямованої передачі ПД. Тобто він може передаватися як з пресинаптичної мембрани на постсинаптичну, так і навпаки. Тому така конструкція зустрічається досить рідко і в основному - в нервовій системі безхребетних.

Рис. 4.Схема будови хімічного та електричного синапсів.

Хімічний синапсдуже поширений у природі. Про влаштований складніше, оскільки необхідна система перетворення електричного імпульсу на хімічний сигнал, потім, знову на електричний імпульс. Все це призводить до виникнення синаптичної затримки, Яка може становити 0,2-0,4 мс. Крім того, може статися виснаження запасів хімічної речовини, що спричинить стомлення синапсу. Однак такий синапс забезпечує односпрямованість передачі ПД, що є його головною перевагою.

Рис. 5.Схема роботи (а) та електронна мікрофотографія (б) хімічного синапсу.

У стані спокою закінчення аксона, або пресинаптичне закінченнямістить мембранні бульбашки (везикули) з нейромедіатором Поверхня везикул заряджена негативно, щоб запобігти зв'язування з мембраною, і покрита спеціальними білками, що беруть участь у вивільненні везикул. У кожній бульбашці знаходиться однакова кількість хімічної речовини, яка називається квантомнейромедіатора. Нейромедіатори дуже різноманітні за хімічною будовою, проте більшість з них виготовляються прямо в кінці. Тому в ньому можуть знаходитися системи для синтезу хімічного посередника, а також апарат Гольджі та мітохондрії.

Постсинаптична мембранамістить рецепторидо нейромедіатора. Рецептори можуть бути у вигляді іонних каналів, що відкриваються при контакті зі своїм лігандом ( іонотропні), так і мембранними білками, що запускають внутрішньоклітинний каскад реакцій ( метаботропні). Один нейромедіатор може мати кілька іонотропних, так і метаботропних рецепторів. При цьому частина з них може бути збуджуючими, а частина - гальмівними. Таким чином, реакцію клітини на нейромедіатор визначатиме тип рецептора на її мембрані, і різні клітини можуть зовсім по-різному реагувати на те саме хімічну речовину.

Між пре- та постсинаптичною мембраною розташовується синаптична щілинашириною 10-15 нм.

При приході ПД на пресинаптичне закінчення, на ньому відкриваються потенціал-активовані кальцієві канали та іони кальцію входять у клітину. Кальцій зв'язується з білками на поверхні везикул, що призводить до їх транспортування до пресинаптичної мембрани з подальшим злиттям мембран. Після такої взаємодії нейромедіатор виявляється у синаптичній щілині (рис. 5) та може зв'язатися зі своїм рецептором.

Іонотропні рецептори - це ліганд-активовані іонні канали. Це означає, що канал відкривається лише у присутності певної хімічної речовини. Для різних нейромедіаторів можуть бути натрієві, кальцієві або хлорні канали. Струм натрію та кальцію викликає деполяризацію мембрани, тому такі рецептори називають збуджуючими. Хлорний струм призводить до гіперполяризації, що ускладнює генерацію ПД. Отже, такі рецептори називають гальмівними.

Метаботропні рецептори до нейромедіаторів належать до класу рецепторів, асоційованих з G-білками (GPCR). Ці білки запускають різноманітні внутрішньоклітинні каскади реакцій, що призводять в кінцевому підсумку або подальшої передачі збудження, або гальмування.

Після передачі сигналу необхідно швидко видалити нейромедіатор із синаптичної щілини. Для цього в щілини присутні або ферменти, що розщеплюють, нейромедіатор, або на пресинаптичному закінченні або сусідніх гліальних клітинах можуть розташовуватися транспортери, що закачують медіатор в клітини. У разі він може використовуватися повторно.

Кожен нейрон отримує імпульси від 100 до 100 000 синапсів. Одиночна деполяризація на одному дендриті не призведе до подальшої передачі сигналу. На нейрон можуть приходити одночасно безліч як збуджуючих, так і гальмівних стимулів. Всі вони сумуютьсяна сомі нейрона. Така сумація називається просторової. Далі, може виникнути або не виникнути (залежно від сигналів, що прийшли) ПД в області аксонного пагорба. Аксонний горбок - це область аксона, що примикає до соми і має мінімальний порог ПД. Далі імпульс поширюється по аксону, кінець якого може сильно розгалужуватися і утворювати синапси з безліччю клітин. Крім просторової, існує тимчасова сумація. Вона відбувається у разі надходження часто повторюваних імпульсів від одного дендриту.

Крім класичних синапсів між аксонами та дендритами або їх шипиками, існують також синапси, що модулюють передачу в інших синапсах (рис. 6). До них відносять аксо-аксональні синапси. Такі синапси здатні посилювати чи гальмувати синаптичну передачу. Тобто, якщо на закінчення аксона, що утворює аксо-шипиковий синапс, прийшов ПД, а в цей час по аксо-аксонального синапс на нього прийшов гальмівний сигнал, вивільнення нейромедіатора в аксо-шипиковому синапс не відбудеться. Аксодендентні синапси можуть змінювати проведення мембраною ПД на шляху від шипика до соми клітини. Також існують аксосоматичні синапси, які можуть впливати на сумацію сигналу в області соми нейрона.

Таким чином, існує величезна різноманітність різних синапсів, що відрізняються за складом нейромедіаторів, рецепторів та їхнього розташування. Все це забезпечує різноманітність реакцій та пластичність нервової системи.

Рис. 6.Різноманітність синапсів у нервовій системі.