Мембранний потенціал спокою

Сучасні електрофізіологічні дослідження, у яких використовували внутрішньоклітинні мікроелектроди, засвідчили, що між зовнішньою і внутрішньою поверхнями плазматичної мембрани клітин існує різниця потенціалів, яка у стані спокою (за відсутності збудження або гальмування) становить переважно -60...-90 мВ і називається мембранним потенціалом спокою. Мембранний потенціал спокою фактично характеризує величина потенціалу внутрішньої поверхні мембрани, яка відносно землі (нульовий потенціал) заряджена негативно. У скелетних м'язових волокнах мембранний потенціал спокою досягає -95 мВ, у кардіоміоцитах не перевищує -85 мВ, у клітинах гладеньких м'язів досягає -60 мВ, у нервових клітинах і волокнах не перевищує -80 мВ, у секреторних клітинах коли­вається від -20 до -60 мВ. Наявність мембранного потенціалу - характерна особливість живих клітин, з їх відмиранням він зникає.

Згідно сучасної мембранної теорії, провідну роль у генерації мембранного потенціалу відіграє плазматична мембрана клітин, яка забезпечує асиметричний розподіл іонів між цитоплазмою і міжклітинним середовищем (завдяки наявності у ній натрійкалієвої помпи) й яка характеризується різною проникністю для іонів імвдяки селективності іонних каналів.

Електронно-мікроскопічними дослідженнями вдалось підтвердити наяв­ність плазматичної мембрани, існування якої передбачали електрофізіологи у ми­нулому, і виміряти її товщину. На електронно-мікроскопічних знімках вона має ппгляд тришарової плівки з товстішим середнім шаром. Товщина всієї мембрани І ііновить 7-10 нм. Сьогодні переконливо встановлено, що плазматична мембрана побудована з ліпідів, білків, вуглеводів, неорганічних іонів (в основному кальцію) і води. Запропоновано різні моделі структурної організації мембрани. Найбільш прийнятною є рідинно-мозаїчна модель мембрани.

За цією моделлю основу, або матрикс,мембрани утворює бімолекулярний фоефоліпідний шар, в якому гідрофобні хвостимолекул напрямлені назустріч Один одному в середину мембрани, а гідрофільні (полярні) головки– назовні. Крім фосфоліпідів, мембрана містить і деяку кількість інших ліпідів (гліколіпіди, іолестерин). Ліпідні молекули можуть змінювати своє розташування у межах моношару (латеральна дифузія) і навіть переміщатись з одного шару в інший (фліп-флоп).

Рідинно-мозаїчна модель мембрани передбачає, що білкові молекули не утворюють суцільних шарів, їх поділяють на дві групи: периферичні та внутріш­ні,абоінтегральні. Периферичні білки - гідрофільні і утримуються на внутріш­ню та зовнішній поверхнях мембрани електростатичними силами. Інтегральні білки занурюються у ліпідний матрикс і навіть пронизують його.

Зовнішня поверхня плазматичної мембрани тваринних клітин (глікокалікс) має щонайменше три основні вуглеводні компоненти: гліколіпіди, глікопротеїни і кислі мукополісахариди. Вода у мембрані перебуває у вільному і зв'язаному станах. Зв'язана вода входить до складу білково-ліпідних комплексів і бере участь у процесі гідратації.

Плазматична мембрана розмежовує внутрішнє середовище клітин від зовНІїшіього, але й підтримує зв'язок між ними. її роль пов'язують з багатьма функціями: структурною, бар'єрною, осмотичною, транспортною, електричною, енергетичною, рецепторно-регуляторною та іншими. Менше уваги приділяєтьсяв біологічній літературі мембрані як "апарату" подразнення клітин. За твердженням акад. Д.С.Воронцова, всі клітини мають на своїй поверхні "апарат" по­дразнення, який представлений мембраною з наявною на ній різннцаю потенці­алів. Плазматичну мембрану клітин можна порівняти з конденсатором. Своєрідними пластиками цього конденсатора є внутрішньоклітиннетазовнішньоклітинне середовища, які є добрими провідниками. Діелектриком служить матеріал мембрани, в основному бімолекулярний ліпідний шар. Електричний опір ме­мбрани становить 1000 Омсм², а ємність - 1 мкФ/см². Завдяки цим властивостям мембрана здатна витримувати значну різницю потенціалів (близько 0,1 В).

Бар'єрна функція ліпідного бішару забезпечує утримання асиметричного, або нерівномірного, розподілу іонів між цитоплазмою і міжклітинним середови­щем. У цитоплазмі клітин знаходиться вища концентрація калію, нижча концен­трація натрію і хлору і значно нижча концентрація кальцію, ніж у міжклітин­ному середовищі. Наприклад, у волокнах скелетних м'язів ссавців міститься (у ммоль/л): К⁺ - 155,0, №⁺ -12,0, СІ" - 3,8, а у міжклітинному просторі: К⁺ - 4,0, Иа⁺ - 145,0, СГ - 120,0. У цитоплазмі клітин катіони калію збалансовані великими ор­ганічними аніонами, які синтезуються тут і не можуть покинути клітини. Слід на­голосити, що іони калію перебувають у цитоплазмі у вільному, а не у зв'язаному стані. Асиметричний розподіл іонів вказує на їх градієнт концентрації, який спрямований для калію й органічних аніонів назовні, а для натрію і хлору в се­редину клітини.

Асиметричний розподіл іонів утворюється завдяки роботі натрій-калієвої помпи, що активно (з затратою енергії АТФ) транспортує через мембрану іони проти ірадієнтів концентрації: калій - у клітину, а натрій - з клітини. Функцію натрій-калієвої помпи виконує фермент Na⁺,К⁺-АТФ-аза - інтегральний білок, який складається з двох а- і двох р-субодиниць. Кожна а-субодиниця пронизує мембрану наскрізь, а р»субодиниці містять вуглеводні групи з зовнішньої поверх­ні мембрани. Ма⁺,К⁺-АТФ-аза активується внутрішньоклітинним натрієм і зов-нішньоклітинним калієм, інгібується строфантином. Чинники, що пригнічують синтез АТФ (монойодацетат, динітрофенол, ціаніди) гальмують роботу натрій-калієвої помпи, в результаті чого градієнти концентрації іонів поступово вирів­нюються, а мембранний потенціал зменшується. Л-субодиниці мають з боку ци­топлазми ділянки, що відповідають за гідроліз АТФ, а з зовнішнього - ділянки зв 'язування строфантину.

Градієнти концентрації іонів служать рушійною силою для їх дифузії через мембрану, якщо мембрана проникна для них. Проникнення іонів через мембрану за градієнтами концентрації називається пасивним транспортом. Дня полегше­ної дифузії іонів через мембрану служать іонні канали. Вони є інтегральними білками. Іонні канали неоднорідні. Для проникнення кожного виду іонів (калію, натрію, хлору і кальцію) служить окремий тип каналів. Навіть для проникнення одного і того ж виду іонів у спокої і при збудженні служать різні канали. Розрізняють канали витоку (для проникнення іонів у спокої), потенціалозалежні і хемочутливі іойні канали. Потенціалозалежні іонні канали у спокої закриті і не пропускають іонів. Вони відкриваються (активуються) у відповідь на деполяри-шцію мембрани і забезпечують проникнення іонів під час генерації потенціалів дії. Хемочутливі іонні канали також закриті у стані спокою, відкриваються (ак­тивуються) під впливом медіаторів і забезпечують проникнення іонів під час ге­нерації постсинаптичних потенціалів. Отже, у стані спокою відкриті тільки канали витоку, позбавлені ворітних механізмів. Вони забезпечують проникнення іонів під час генерації мембранного потенціалу спокою. Для вибіркового проник­нення іонів канали витоку мають селективні фільтри. Потенціалозалежні і хемо­чутливі канали мають селективні фільтри і активаційні ворота, які в стані спо­кою закриті.

Мембрана характеризується у спокої різною проникністю для іонів завдяки різній провідності її каналів: найбільш проникна вона для калію, менше - для хло­ру, ще менше - для натрію. Кальцій у стані спокою практично не проникає У клі­тини. Проникність мембрани для кожного з іонів оцінюють коефіцієнтами про­никності (Р), які для мембрани гігантського аксона кальмара співвідносяться між собою як:

Р_к:Р_Na:Р_Cl=1: 0,04 : 0,45.

Оскільки мембрана у спокої найбільш проникна для іонів калію, деяка їх кількість дифундує з клітини і зосереджується на зовнішній поверхні мембрани, де утримується електростатично внутрішньоклітинними органічними аніонами, які не можуть покинути клітину разом з калієм. Так створюється розділення по­зитивних і негативних зарядів по обидва боки мембрани, тобто виникає мемб­ранна різниця потенціалів.

Різницю потенціалів, яка виникає на мембрані за рахунок дифузії калію на­зовні, можна розрахувати за формулою Нернста:

де Е_к- калієвий рівноважний потенціал, К - газова постійна (8,314 Дж/град.моль), Р - число Фарадея (96500 кулонів/г.екв.), Т - абсолютна температура, п - валент­ність.

Мембранна різниця потенціалів, яка генерується калієм, може модифікува­тись за рахунок дифузії через мембрану натрію і хлору. Проникнення натрію У клітини призводить до деякого зменшення мембранного потенціалу, або депо­ляризації мембрани. Дифузія хлору у клітини, навпаки, забезпечує деяке збіль­шення мембранної різниці потенціалів.

Підсумкову величину мембранного потенціалу, що генерується за рахунок дифузії К, Na, Сl, можна розрахувати за формулою Гольдмана:

де Р - коефіцієнти проникності мембрани для кожного з іонів.

Про провідну роль калію у генерації мембранного потенціалу спокою свід­чить обернена його залежність від [К⁺]₃: чим більша [К⁺]₃ тим менший мемб­ранний потенціал.

Отже, основна частина мембранного потенціалу спокою, яка називається концентраційним потенціалом, формується за рахунок дифузії іонів (переважно калію) через мембрану. Ця частина опосередковано залежить від метаболізму, оскільки енергія АТФ витрачається безпосередньо на створення градієнтів концентрації іонів. Відомо, що на кожний іон калію, який транспортується в клітину, з неї виводяться 2-3 іони натрію. За рахунок цього у клітині створюється дефіцит позитивних і надлишок негативних зарядів, тобто Генерується прямо помпою деяка різниця потенціалів. У цьому випадку помпа характеризується електрогенним ефектом.

Отже, реальний мембранний потенціал складається з концентраційного потенціалу і електрогенного ефекту натрій-калієвої помпи. Внесок електрогенного ефекту помпи у мембранний потенціал не перевищує -15 мВ. Електрогенний ефект помпи можна швидко ліквідувати строфантином, охолодженням або чин­никами, що ведуть до дефіциту АТФ. У цих випадках розвивається швидка де­поляризація мембрани.

Потенціали дії

Клітини збудливих тканин у відповідь на порогове або надпорогове подраз­нення генерують потенціали дії, які здатні до автоматичного поширення вздовж мембрани. Завдяки цьому потенціали дії забезпечують передачу інформації від рецепторів до нервових центрів, а від них - до ефекторів. У м'язових волокнах потенціали дії запускають процеси, які активують скоротливий апарат.

Потенціалом діїназивають пікоподібне, дуже швидке коливання мембран­ного потенціалу, в основі якого лежить короткочасне перезарядження мембрани і подальше відновлення вихідного значення мембранного потенціалу. Таке коли­вання триває 1-5 мс і досягає амплітуди 120 мВ.

Електричний феномен збудження, названий Е.Дюбуа-Реймоиом негатив­ним коливанням струму спокою, вперше виявив у 1837 р. Ч.Маттеуччі. Згодом його назвали потенціалом дії, оскільки він відображає активний або діяльний стан клітин. Іноді називають його піковим,абоспайковим, потенціалом. За до­помогою методу позаклітинноговідведення, з використанням осцилографа, його зареєстрували у 1924 р.Д.Ерлангер і Г.Гассер, а за допомогою методу внутріш­ньоклітинного відведення -у 1939 р. А.Ходжкін і Е.Хакслі.

Потенціали дії, зареєстровані за допомогою позаклітинного біполярноговідведення, мають форму двофазної кривої. Зумовлено це перезарядкою мембра­ни, внаслідок чого зовнішня поверхня мембрани у точці збудження отримує нега­тивний заряд. Оскільки збудження поширюється, негативний заряд зовнішньої поверхні мембрани виникає спочатку під першим відвідним електродом (формується перша фаза), а потім - під другим (формується друга фаза).

Амплітуда потенціалу дії нерва при його позаклітинному відведенні залежить від сили подразнення. Крім того, його перша фаза має більшу амплітуду і меншу тривалість,ніж друга, тому що потенціал дії нерва при позаклітинному подразненні і відведенні виникає внаслідок сумації потенціалів дії різних нервових шиюкон, які характеризуються різною збудливістю і швидкістю проведення збуд­ження. Коли відстань між подразнюючими і відвідними електродами більше 10-15 см (уніполярне відведення), сумарний потенціал дії розчленовується на поте­нціали дії α, β, γ, ∆-нервових волокон.

У процесі позаклітинного відведення реєструється потенціал дії неповної амплітуди, який досягає кількох мВ. Повну амплітуду потенціалу дії (до 120 мВ) можна зареєструвати тільки використовуючи внутрішньоклітинне відведення. Та­кий потенціал дії має форму однофазної пікоподібної хвилі, на якій розрізняють генераторний потенціал, або препотенціал, деполяризацію мембрани до нуля, її перезарядження, або реверсію мембранного потенціалу, і подальшу реполяризаціюмембрани, або відновлення мембранного потенціалу спокою. У ході реполяризації спостерігається слідовий негативний і слідовий позитивний поте­нціали (слідова деполяризація і слідова гіперполяризація).

Таким чином, висхідна частина потенціалу дії відображає зміну потенціа­лу внутрішньої поверхні мембрани від потенціалу спокою (-70 мВ) до потенціа­лу перезарядженої мембрани (+40 мВ). Тому амплітуда потенціалу дії складає­ться з суми цих абсолютних значень і становить 110 мВ. Отже, амплітуда поте­нціалу дії перевищує мембранний потенціал спокою і це перевищення називають овершутом.

Виникає питання: "Як Генерується потенціал дії?" Автор першої мембранної теорії Ю.Бернштейн (1902) припускав, що під час збудження підвищується на короткий час проникність мембрани для всіх іонів, унаслідок чого мембрана деполяризується до нуля, тому амплітуда потенціалу дії не повинна перевищувати величину мембранного потенціалу спокою. Проте виявлення овершута не узгоджувалось з теорією Ю.Бернштейна.

Неузгодженість між теорією і експериментом вдалось ліквідувати у 50-х ро­ках А.Ходжкіну і Е.Хакслі, котрі довели, що під час генерації потенціалу дії ко роткочасно і різко (у 500 разів)підвищується проникність мембрани для натрію. Співвідношення коефіцієнтів проникності мембрани гігантського аксона кальмара під час збудження для іонів мас такий характер:

Рк:Р_Nа:Рс_l =1:20:0,45.

У результаті такою підвищення проникності іони натрію з міжклітинної рі­дини, де ії концентрація висока, лавиноподібно проникають у клітину, вносячи туди позитивні заряди. Внаслідок цього негативний заряд внутрішньої поверхні мембрани змішується спочатку до нуля (повна деполяризація мембрани). Після цього внутрішня поверхня мембрани набуває позитивного заряду і на рівні мак­симальної амплітуди або піка потенціалу дії мембранний потенціал стає реверси­вним і досягає +30...+ 40 мВ. Унаслідок реверсії мембранного потенціалу виникає різниця потенціалів ззовні мембрани між збудженою ділянкою (негативний за­ряд) і незбудженими (позитивний заряд). Отже, за висхідну частину потенціалу дії відповідають котити натрію, які, надходячи в клітину, зміщують заряд вну­трішньої поверхні мембрани від негативних до позитивних значень.

Проникність мембрани для натрію підвищується на дуже короткий час (0,5-1,5 мс). Після цього розвивається інактивація натрієвої провідності мембрани і підвищення калієвої провідності (в 10-15 разів). Завдяки цьому відбувається відновлення мембранного потенціалу спокою, або реполяризація мембрани. Отже, за низхідну частину потенціалу дії відповідають іони калію, які, виходячи з клі­тини, зміщують заряд внутрішньої поверхні мембрани від позитивних до негати­вних значень.

Таким чином, потенціал дії виникає за рахунок проходження іонних потоків через мембрану: дифузія натрію в клітину призводить до перезарядки мембрани, а дифузія калію назовні відновлює вихідний потенціал спокою. Ці потоки рівні за величиною, але зсунуті в часі. Участь натрію в Генерації потенціалу дії підтвер­джується залежністю його амплітуди від зовнішньоклітинної концентрації натрію: із її зниженням зменшується амплітуда потенціалу дії.

Методом фіксації потенціалу на мембрані вдалось виміряти і проаналізу­вати вхідний натрієвий і вихідний калієвий струми під час генерації потенціа­лів дії. Встановлено, що натрієвий струм блокується тетродотоксином, а каліє­вий - тетраетиламонієм. Переміщення натрію і калію через мембрану під час генерації потенціалів дії доведено за допомогою ізотопного методу. У нервових волокнах і скелетних м'язових волокнах вхідний струм під час Генерації потенціа­лів дії переноситься тільки катіонами натрію. У тілі нейронів, кардіоміоцитах і гладком'язових клітинах у перенесенні вхідного струму беруть участь і катіони кальцію. Кальцієвий струм блокується верапамілом і катіонами полівалентних металів.

Згідно сучасних даних, в основі підвищення натрієвої, калієвої і кальцієвої проникності мембрани під час генерації потенціалів дії лежитьвідкривання, або активація деполяризацієювідповідно натрієвих, калієвих і кальцієвих потенціалозалежних каналів, активаційні ворота яких при мембранному потенціалі спо­кою закриті. У натрієвих і кальцієвих іютенціалозалежних каналах передбачається існування й інактиваційних воріт. Інактивація натрієвої провідності пов'язана і закриванням інактиваційних воріт. У цих каналах деполяризація викликає спо­чатку відкривання активаційних воріт, а потім - закривання інактиваційних. Інактивація натрієвих каналів припиняє розвиток піка потенціалу дії і забезпечує розвиток тимчасової незбудливості - рефрактерності. Інактиваційні ворота відкриваються, а активаційні закриваються внаслідок реполяризації мембрани.

Поширення потенціалів дії

Однією з найхарактерніших ознак потенціалів дії є їх здатність до самопоширення. Зумовлено це тим, що потенціал дії однієї ділянки мембрани служить джерелом подразнення для сусідньої незбудженої ділянки. Поширення потенціалів дії відбувається без зниження їх амплітуди і швидкості, тобто бездекрементно.

Учень Е.Дюбуа-Реймона Л.Герман(1885) першим висловив думку, що ібіудження поширюється за допомогою так званих малих електричних струмів. Сьогодні ці струми називають локальними, або коловими. Колові струми фор муються внаслідок того, що між збудженою і незбудженою ділянками мембрани існує різниця потенціалів: ззовні збуджена ділянка заряджена негативно, а незбу джена - позитивно. З внутрішнього боку мембрани ці ділянки несуть протиліл ні заряди. Ззовні мембрани коловий струм тече від незбудженої (+) ділянки до збудженої (-). З внутрішнього боку мембрани цей струм тече від збудженої ділянки (+) до незбудженої (-). Отже, у точці збудження струм має вхідний напря мок, а у незбуджених - вихідний. Струм вихідного напрямку деполяризує мембрану і спричиняє у нових ділянках активацію потенціалозалежних іонних каналів підвищення натрієвої та калієвої проникності та генерацію потенціалу дії. Деполяризація поступово зменшується з віддаленням від точки збудження. На ділянці, яка раніше була збуджена, зникає потенціал дії і відновлюється потенціал спокою. Такий процес багаторазово повторюється. Отже, поширення (проведення) збудження являє собою послідовне виникнення і зникнення потенціалу дії вздовж нервового або м 'язового волокна.

У скелетних м'язових і безм'якушевих нервових волокнах потенціалими поширюються безперервно від однієї ділянки мембрани до іншої. У м'якушевих нервових волокнах, що мають мієлінову оболонку (добрий ізолятор), колові струми можуть виникати тільки між сусідніми (збудженим і незбуджснимі перехватами Ранв'є.Вихід колових струмів через мембрану незбудженою перехвату Ранв'є є причиною деполяризації, активації потенціалозалежних каналів і генерації потенціалу дії. Отже, потенціали дії поширюються у м'якушевих волокнах стрибкоподібно,або сальтаторно,з одного перехвату Ранв'є на інший, від­дань між якими досягає 2 мм. Сальтаторне проведення збудження відбувається швидшеі потребує менших затрат енергії(АТФ) на викачування з волокон на­грію.

Швидкість поширення потенціалів дії вища,якщо волокнобільшого діаметра, якщо його збудливість вища, і якщо воно Генерує потенціал дії більшої амплітуди.

У гігантських нервових волокнах кальмара швидкість поширення потенціалів дії становить 20 м/с, у товстих м'якушевих нервових волокнах теплокровних -20 м/с, у скелетних м'язових волокнах - 3-5 м/с, у гладеньких м'язах - 2-10 см/с.

Розділ 4