Эффекты изменения наружной концентрации ионов

Состояние ионов в протоплазме

Молекулярные механизмы возникновения потенциала покоя.

Для мембранной теории биопотенциалов исключительно важ­ное значение имело установление того факта, что большая часть ионов К+ в протоплазме находится в свободном состоянии, т. е. что протоплазма в соответствии с исходным предположением Бернштейна представляет собой свободный раствор этих ионов.

Проведенные исследования показали, что коэффициенты активности ионов Na+ в протоплазме были примерно в два раза ниже, чем во внеклеточном растворе. Это означает, что в то время как большая часть42К ионов в протоплазме находится в свободном состоянии, примерно половина натрия либо связана, либо находится в каких-то внутриклеточных включениях.

Это обстоятельство следует учитывать при изучении зависи­мости величин потенциалов покоя и действия от концентрацион­ного градиента указанных ионов: истинный градиент активностей ионов натрия между клеткой и средой по крайней мере в 2—3 раза выше, чем тот, который принимается на основании данных о сред­них концентрациях Na+ в протоплазме.

Ca2+ в протоплазме клеток (волокон) почти целиком находится в связанном состоянии. Так, в аксоплазме гигантского подокна кальмара из 400 мкМ Ca+ только 0,3 мкМ находится в ионизированном состоянии. Примерно 10 мкМ Са2+ связано с такими внутриклеточными анионами как АТФ, цитрат, глутамат и др. Остальной кальций находится во внутриклеточных органеллах.

Еще гипотеза Бернштейна предсказывала линейную зависимость трансмембранной разности потенциалов от логарифма соотношения внутри и внеклеточной концентрации ионов K⁺.

В состоянии покоя мембрана более проницаема для К⁺, чем для Na^.+. Вследствие диффузии К⁺ наружу из аксоплазмы внутреннее содержимое нервного волокна в состоянии покоя заряжено отрицательно по отношению к наружному раствору. Эта постоянная разница потенциалов – потенциал покоя – равна 50-70 мВ. Какими факторами определяется это значение? Если бы мембрана была проницаема только для К⁺, равновесная разница потенциалов достигала бы значения, определяемого уравнением Нернета для калиевого электрода:

, (1).

где - равновесный потенциал К⁺.

При концентрации К⁺ в крови (20 мМ) и в аксоплазме (400 мМ) кальмара рассчитанное значение равно – 75 мВ.

Действительно, в интактных аксонах регистрируют потенциалы покоя около – 70 мВ. Следовательно в этих условиях мембрана ведет себя подобно К⁺- электроду.

Однако, исследования, проведенные на изолированных нервных волокнах, показали, что подобная зависимость обнаруживается только в диапазоне высоких (свыше 20 мМ) внеклеточных концентрациях К⁺.

Для объяснения всех этих отклонений Ходжкин и Катц предположили, что потенциал покоя возбудимых образований определяется не только калиевым, но и натриевым, и хлорным равновесными потенциалами, что и вклад каждого из них в величину потенциала покоя определяется соотношениями между проницаемостями возбудимой мембраны для этих ионов.

Поскольку же диффузия ионов Na⁺ по концентрационному градиенту внутрь протоплазмы должна уменьшать трансмембранную разность потенциалов, естественно было предположить, что отклонение потенциала покоя от должно быть тем больше, чем выше натриевая проницаемость мембраны. И наоборот, потенциал покоя должен быть тем ближе к величине калиевого равновесного потенциала , чем ниже натриевая проницаемость мембраны по сравнению с ее калиевой проницаемостью.

Поэтому зависимость потенциала покоя от концентрации К⁺ в среде значительно лучше описывается исходя из так называемой теории постоянного поля Гольдмана и уравнением Гольдмана, выведенного на основании этой теории:

(2).

В состоянии покоя в однородном участке мембраны суммарный ионный ток:

, (3).

но в том же состоянии распределение Cl^- близко к равновесному, т.е. потоки Cl^- из клетки и внутрь ее одинаковы и в этом случае условие нулевого тока упрощается до:

, (4)

и потенциал покоя вычисляется по формуле:

(5).

Уравнение имеет два важных преимущества. Во-первых, оно очень просто, и, во-вторых, оно редуцируется до термодинамически корректной формы, если одна из констант проницаемости становится большей по сравнению с другими».

Подставляя в уравнение известные из химических измерений концентрации ионов К⁺, Na⁺, Cl^- в протоплазме Ходжкин и соавт. нашли, что у покоящегося гигантского нервного волокна, находящегося в растворе морской волны, должно быть следующее соотношение констант проницаемости: Р_К:Р_Na:Р_Cl=1:0,04:0,45.

Эти соотношения сохраняются во всем физиологическом диапазоне от 15 мМ.

Активный транспорт ионов натрия оказывает двоякое влияние на величину потенциала покоя.

1. Энергия макроэргических связей АТФ используется «натриевым насосом» для создания и поддержания трансмембранных концентрационных градиентов;

2. Натриевый насос не электронейтрален, и поэтому генерируемый им ток может вносить вклад непосредственно в величину мембранного потенциала. Вклад этот при прочих равных условиях зависит от силы насосного тока и сопротивления мембраны.