Ионные механизмы мембранного потенциала покоя

Ранее было сказано, что концентрации ионов снаружи и внутри живой клетки значительно отличаются. Далее мы узнали, что движение ионов через мембрану по градиенту концентрации возможно только через специализированные белковые структуры - каналы, которые при открытии способны пропускать определенных ионы. Оказалось, что именно передвижения заряженных ионов по концентрационному градиенту через ионные каналы мембраны и создает разделение зарядов на мембране, обеспечивая формирование мембранного потенциала покоя. При этом движение ионов происходит через определенный тип каналов, открывающихся в покое, без каких-либо воздействий. Следовательно, возникновение мембранного потенциала является пассивным процессом, который не требует затрат энергии. Однако, энергия нужна на этапе создания градиента концентрации для ионов при работе ионных транспортных систем.

В различных живых клетках мембранный потенциал покоя формируется по-разному. В глиальных клетках в его формировании принимают участие только ионы калия, которые двигаются через калиевые каналы. В большинстве нервных клеток мембранный потенциал возникает при движении ионов калия и натрия через соответствующие каналы. Очень редко в формировании мембранного потенциала покоя принимают участие и ионы хлора. Давайте последовательно разберем эти варианты.

Итак, в глиальных клетках в состоянии покоя открыты только калиевые каналы (рис. 16А). В этом случае ионы калия начинают двигаться благодаря химической движущей силе по концентрационному градиенту из цитоплазмы в окружающую среду. Они концентрируется около наружной поверхности мембраны и формируют положительный заряд. Внутри отрицательный заряд формируется за счет органических анионов и в некоторых клетках за счет приближения анионов хлора к внутренней поверхности мембраны. Как только сформировался заряд на мембране, появляется электрическая движущая сила, заставляющая ионы калия входить внутрь клетки. В конце концов, устанавливается равновесие этих сил, и ток ионов калия через каналы прекращается. Калиевый ионный ток через мембрану можно представить следующим образом: , где – мембранный потенциал, – проводимость мембраны для ионов калия (сумма проводимостей всех открытых калиевых каналов), – равновесный потенциал для иона калия. Поскольку в условиях равновесия калиевый ток равен нулю, то .

Что же происходит в нервных клетках, где в состоянии покоя открыты два вида каналов: натриевые и калиевые? Построим систему, состоящую из трех калиевых каналов (рис.16Б). При их открытии, как и в случае глиальных клеток, формируется мембранный потенциал (около -90 мВ), равный калиевому равновесному потенциалу. Теперь в систему включим один открытый натриевый канал. Поскольку на мембране имеется значительный концентрационный градиент для ионов натрия, и уже существует разность потенциалов, возникают химическая и электрическая движущие силы направленные внутрь, заставляющие ионы натрия входить в клетку, то есть появляется входящий натриевый ионный ток через открытые натриевые каналы. Поскольку ионы натрия несут положительный заряд, то количество отрицательных зарядов на внутренней поверхности мембраны будет уменьшаться, а мембранный потенциал снижаться. Уменьшение потенциала приведет к уменьшению электрической движущей силы, которая заставляет ионы калия входить в клетку, и преобладанию химической силы, заставляющей их выходить из клетки. В этом случае через мембрану начинают течь два разнонаправленных тока – входящий, деполяризующий натриевый и выходящий, гиперполяризующий калиевый ;

Рис 16. Ионные механизмы возникновения мембранного потенциала покоя

В левой части рисунка схематически показаны калиевые и натриевые каналы покоя клеточной мембраны. Синими стрелками показаны химические движущие силы, красными – электрические. Длина стрелки отражает относительную величину движущей силы. В правой части рисунка показаны итоговые движущие силы и мембранные токи для ионов калия и натрия. Проиллюстрированы две ситуации:

(А) Глиальные клетки. В покое открыты только калиевые каналы. Химическая и электрическая силы уравновешены, калиевый ток через каналы отсутствует, мембранный потенциал равен равновесному потенциалу для ионов калия, V_m=E_K.

(Б) Нейроны. В покое наряду с калиевыми каналами открыто небольшое количество натриевых каналов. На фоне сформированного калиевыми каналами мембранного потенциала возникают электрическая и химическая движущие силы для ионов натрия, через натриевый канал и появляется входящий натриевый ток, который деполяризует клетку (верхняя схема). Деполяризация вызывает появление движущей силы для ионов калия наружу и возникновение выходящего калиевого тока. Постепенно мембранный потенциал перемещается на новый уровень, при котором I_Na=I_K (нижняя схема). Поскольку суммарная проводимость калиевых каналов гораздо больше, чем натриевых, сравнительно небольшая итоговая движущая сила для калия обеспечивает ток такой же величины и противоположный по направлению, что большая итоговая движущая сила для натрия. В этом состоянии ни ионы натрия, ни ионы калия не находятся в равновесии, однако итоговый поток зарядов через мембрану равняется нулю.

, – проводимости мембраны для ионов калия и натрия, , – равновесные потенциалы для ионов калия и натрия. В конечном итоге возникнет равновесие, когда эти два тока становятся равны и противоположны по направлению: . При этом установится новое значение мембранного потенциала покоя () на более низком уровне:

Отсюда в нервных клетках, по сравнению с глиальными, мембранный потенциал покоя несколько ниже (примерно -60 мВ), меньше калиевого равновесного потенциала. Но никогда в нервных клетках мембранный потенциал покоя не достигнет натриевого равновесного потенциала (+67 мВ), поскольку количество открытых калиевых и натриевых каналов неодинаково. На каждые 1000 калиевых каналов приходится всего 20-30 натриевых. В некоторых клетках количество открытых натриевых каналов больше, поэтому мембранный потенциал покоя в них еще ниже (около -40 мВ).

Что касается роли ионов хлора в формировании мембранного потенциала покоя, то она неоднозначна в различных клетках. Во многих клетках ионы хлора пассивно распределяются по обе стороны мембраны, токи через хлорные каналы в покое практически отсутствуют, а имеющийся мембранный потенциал

равен потенциалу равновесия для хлора. Если же ионы хлора не распределяются пассивно, а активно транспортируются из клетки, то появление хлорного тока делает мембранный потенциал покоя более негативным:

Кроме этого, в величину мембранного потенциала покоя вносит свой вклад натрий-калиевый насос. Дело в том, что насос ассиметричен - при каждом цикле работы насоса три иона натрия выводятся из клетки и два иона калия поступают в клетку. Отсюда при каждом цикле работы насоса клетка теряет один положительный заряд. Именно поэтому насос называется электрогенным. Поскольку насос непрерывно работает, то клетка постоянно теряет положительные заряды и разность потенциалов на мембране увеличивается на 6-12 мВ. Если заблокировать насос, то мембранный потенциал покоя становится меньше на эту величину.

Часто мембранные процессы формирования мембранного потенциала покоя представляют в виде электрической схемы (рис. 17). Модель мембраны представляется следующим образом. Совокупность натриевых и калиевых каналов, открытых в покое представлены проводимостями, равновесные потенциалы для каждого конкретного иона - источниками потенциала. Схема дополняется эквивалентом электрогенного натрий-калиевого насоса и емкостью мембраны, обусловленной липидами мембраны. На этой электрической схеме можно довольно легко с учетом проводимостей рассчитать мембранный потенциал покоя и его изменения при различных воздействиях.

Рис 17. Электрическая схема мембраны

Каждая популяция каналов представлена батареей с потенциалом равновесия для конкретного иона (Е) и проводимостью (g). Проводимость - произведение количества открытых каналов на проводимость отдельного канала. Натрий калиевый насос представлен двумя разнонаправленными генераторами тока. Текущие через мембрану токи показаны стрелками. В состоянии покоя пассивный натриевый и калиевый токи (I_Na, I_K) компенсируются активным транспортом натрия и калия (I’_Na, I’_K), обеспечиваемым натрий-калиевой АТФазой. Липидный бислой создает емкость мембраны (C_m). Видно, что ток через хлорные каналы отсутствует, поскольку ионы хлора пассивно распределяются по обе стороны мембраны и имеющийся мембранный потенциал равен потенциалу равновесия для хлора.

Итак, мембранный потенциал покоя представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки. Он является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны, которое возникает за счет движения заряженных ионов (натрия и калия) по концентрационным градиентам через ионные каналы, открывающиеся в покое. Наличие потенциала покоя на мембране возбудимой клетки лежит в основе механизмов возникновения в ней электрических сигналов – потенциалов действия, постсинаптических и рецепторных потенциалов.