Концентрация ионов калия и натрия в клетке. Зачем клетка обменивает натрий на калий? Ионы калия поступают в клетку за счет

В плазме крови концентрация калия (K) обычно поддерживается близкой к своему нормальному уровню -4 мМ (табл. 1.1). Однако во многих нервных клетках не происходит быстрого обмена ионов с плазмой, и для них [К+]0 может существенно отличаться от нормального уровня. На рис. 2.3 схематически изображен нейрон ЦНС, который отделен от ближайшего капилляра глиальными клетками. Здесь внеклеточное пространство существует в виде узких щелей шириной примерно 15 нм. Периферические аксоны аналогичным образом тесно окружены шванновскими клетками. Такие интерстициальные пространства вполне адекватно обеспечивают в длительных временных масштабах выравнивание состава внешней среды путем диффузии, однако при интенсивной активности нейронов концентрации ионов во внеклеточном пространстве могут на короткое время значительно изменяться. Во время интенсивной электрической активности ионы натрия (Na+) входят в клетку, а ионы калия (K) выходят из нее.

Высокая внеклеточная концентрация натрия (Na+) при этом заметно не меняется, тогда как концентрация калия (K) может существенно-возрастать. Внеклеточную концентрацию К+ можно измерить с помощью микроэлектродов, заполненных селективными К+-ионообменниками. При высокой активности нервных клеток внеклеточная концентрация калия (K) возрастает от нормального уровня 3-4 мМ до 10 мМ . Согласно уравнению Нернста (см. рис. 2.2), такие высокие внеклеточные концентрации калия (K) вызывают сильную деполяризацию нервных клеток. Не исключено, что деполяризация, которая обусловлена повышенной внеклеточной концентрацией калия (K), является одной из причин развития в мозге судорожных разрядов, возникающих, например, во время эпилептических приступов . После окончания интенсивной работы клеток процесс активного транспорта калия (K) может сдвинуть его внеклеточную концентрацию ниже нормального уровня, вызывая гиперполяризацию нервных клеток.

Во время активности нейронов ЦНС может изменяться внеклеточная концентрация еще одного иона -кальция (Са) . Концентрацию кальция (Са), так же как и концентрацию калия (K) , можно измерить с помощью микроэлектродов, заполненных селективным ионообменником. При активации синаптических окончаний кальция (Са) входит в них; соответственно во время их высокочастотного возбуждения обнаруживается снижение внеклеточной концентрации кальция (Са) . При низкой концентрации кальция (Са) повышается возбудимость нейронов (см. ниже, рис. 2.10), что может приводить к патологическим изменениям в них .

Любая живая клетка покрыта полупроницаемой мембраной, через которую осуществляется пассивное движение и активный избирательный транспорт положительно и отрицательно заряженных ионов. Благодаря этому переносу между наружной и внутренней поверхностью мембраны имеется разность электрических зарядов (потенциалов) – мембранный потенциал. Существует три отличающихся друг от друга проявления мембранного потенциала – мембранный потенциал покоя, местный потенциал , или локальный ответ , и потенциал действия .

Если на клетку не действуют внешние раздражители, то мембранный потенциал долго сохраняется постоянным. Мембранный потенциал такой покоящейся клетки называется мембранным потенциалом покоя. Для наружной поверхности мембраны клетки потенциал покоя всегда положителен, а для внутренней поверхности клеточной мембраны всегда отрицателен. Принято измерять потенциал покоя на внутренней поверхности мембраны, т.к. ионный состав цитоплазмы клетки более стабилен, чем межклеточной жидкости. Величина потенциала покоя относительно постоянна для каждого типа клеток. Для поперечнополосатых мышечных клеток она составляет от –50 до –90 мВ, а для нервных клеток от –50 до –80 мВ.

Причинами возникновения потенциала покоя являются разная концентрация катионов и анионов снаружи и внутри клетки, а также избирательная проницаемость для них клеточной мембраны. Цитоплазма покоящейся нервной и мышечной клетки содержит примерно в 30–50 раз больше катионов калия, в 5–15 раз меньше катионов натрия и в 10–50 раз меньше анионов хлора, чем внеклеточная жидкость.

В состоянии покоя практически все натриевые каналы мембраны клетки закрыты, а большинство калиевых каналов открыто. Всякий раз, когда ионы калия наталкиваются на открытый канал, они проходят через мембрану. Поскольку внутри клетки ионов калия гораздо больше, то осмотическая сила выталкивает их из клетки. Вышедшие катионы калия увеличивают положительный заряд на наружной поверхности клеточной мембраны. В результате выхода ионов калия из клетки должна была бы вскоре уравняться их концентрация внутри и вне клетки. Однако этому препятствует электрическая сила отталкивания положительных ионов калия от положительно заряженной наружной поверхности мембраны.

Чем больше становится величина положительного заряда на наружной поверхности мембраны, тем труднее ионам калия проходить из цитоплазмы через мембрану. Ионы калия будут выходить из клетки до тех пор, пока сила электрического отталкивания не станет равной силе осмотического давления К+. При таком уровне потенциала на мембране вход и выход ионов калия из клетки находятся в равновесии, поэтому электрический заряд на мембране в этот момент называется калиевым равновесным потенциалом . Для нейронов он равен от –80 до –90 мВ.

Поскольку в покоящейся клетке почти все натриевые каналы мембраны закрыты, то ионы Nа+ поступают в клетку по концентрационному градиенту в незначительном количестве. Они лишь в очень малой степени возмещают потерю положительного заряда внутренней средой клетки, вызванную выходом ионов калия, но не могут эту потерю существенно компенсировать. Поэтому проникновение в клетку (утечка) ионов натрия приводит лишь к незначительному снижению мембранного потенциала, вследствие чего мембранный потенциал покоя имеет несколько меньшую величину по сравнению с калиевым равновесным потенциалом.

Таким образом, выходящие из клетки катионы калия совместно с избытком катионов натрия во внеклеточной жидкости создают положительный потенциал на наружной поверхности мембраны покоящейся клетки.

В состоянии покоя плазматическая мембрана клетки хорошо проницаема для анионов хлора. Анионы хлора, которых больше во внеклеточной жидкости, диффундируют внутрь клетки и несут с собой отрицательный заряд. Полного уравнивания концентраций ионов хлора снаружи и внутри клетки не происходит, т.к. этому препятствует сила электрического взаимного отталкивания одноименных зарядов. Создается хлорный равновесный потенциал, при котором вход ионов хлора в клетку и их выход из нее находятся в равновесии.

Мембрана клетки практически непроницаема для крупных анионов органических кислот. Поэтому они остаются в цитоплазме и совместно с поступающими анионами хлора обеспечивают отрицательный потенциал на внутренней поверхности мембраны покоящейся нервной клетки.

Важнейшее значение мембранного потенциала покоя состоит в том, что он создает электрическое поле, которое воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенное положение в пространстве. Особенно важно то, что это электрическое поле обусловливает закрытое состояние активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот (рис. 61, А). Этим обеспечивается состояние покоя клетки и готовности ее к возбуждению. Даже относительно небольшое уменьшение мембранного потенциала покоя открывает активационные «ворота» натриевых каналов, что выводит клетку из состояния покоя и дает начало возбуждению.

Возбудимость - способность клеток и тканей переходить в состояние физиологической активности иод влиянием каких-либо внешних воздействий (раздражителей), достигших пороговой величины. Возбудимостью обладают любые живые клетки, в том числе растительные, но в наибольшей степени она выражена у клеток животных - таких, как нервные, мышечные и железистые.

Любому специалисту, связанному с исследованиями организма животного и человека, необходимо понимать, что именно возбудимые клетки составляют основу НС, воспринимают сигналы из внешней и внутренней среды организма, обеспечивают его ответные реакции.

Все возбудимые клетки обладают тремя свойствами:

1) ПН, или мембранным потенциалом, - разностью электрического потенциала между внутриклеточной средой и средой, окружающей клетку;

• 2) IIД - способностью генерировать краткий электрический ответ под действием любого раздражителя, интенсивность которого достигла определенного порога;
• 3) проводимостью - способностью распространять ПД по телу клетки и ее отросткам.

Проведем следующий эксперимент. Если взять нейрон, находящийся в настоящий момент в состоянии покоя, и ввести тонкий стеклянный микроэлектрод с кончиком диаметром не более 1 мкм, то такой кончик не нанесет клетке видимых повреждений. Полость стеклянного электрода должна быть заполнена жидкостью, хорошо проводящей ток (электролитом). Чаще всего для этой цели используют раствор хлористого калия (КС1). Электрод соединяют с вольтметром. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 8.1).

Рис . 8.1.

а - рисунок с микрофотографии; б - схема регистрации потенциала покоя путем

введения в нейрон кончика микроэлектрода; в - скачок мембранного потенциала в момент введения в нейрон кончика микроэлектрода (4)

В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок потенциала вниз до уровня приблизительно -70 мВ. Это и есть мембранный потенциал, или ПП. Если электрод не двигать, а для нейрона создать правильные условия (состав окружающего раствора, температура), то ПП будет поддерживаться без всяких видимых изменений в течение нескольких часов. ПП найден во всех возбудимых клетках, и его величина колеблется от -30 до -100 мВ в зависимости от того, с какими клетками проводится опыт.

Потенциал покоя был открыт в середине XIX в. великим швейцарским физиологом Эмилем Дюбуа-РеймоноМу а его ученик Юлиус Бернштейн создал самую первую теорию, которая объясняла, почему внутри возбудимых клеток, находящихся в состоянии покоя, регистрируется явный избыток отрицательных зарядов. Исходя из данных, полученных целым рядом исследователей, Бернштейн частично установил, а частично предположил следующее:

• - в цитоплазме возбудимых клеток содержится гораздо больше ионов К + , чем в окружающей среде, а ионов Na + и С1~ - гораздо меньше;
• - возбудимые клетки покрыты полупроницаемой мембраной, которая в состоянии покоя свободно пропускает ионы Na + , Са 2+ , С1 _ и т.д.

Если это так, то часть ионов К + должна выходить через клеточную мембрану в межклеточную среду, оставляя в клетке избыток парных К + отрицательно заряженных частиц - анионов.

Поэтому на внутренней поверхности мембраны клетки создается отрицательный заряд (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Роль ионов К + в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП):

а - возникновение ПП вследствие диффузии ионов К + через постоянно открытые каналы утечки; б - изменение уровня ПП при изменении концентрации К* во

внешней среде

Но избыток отрицательно заряженных частиц будет притягивать к себе ионы К + , препятствуя их выходу из клетки, а вышедшие в межклеточное пространство ионы К" также будут «отталкивать» положительно заряженные частицы, не давая выйти из клетки новым порциям К + . В итоге выход К + продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического ноля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.

Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и К + продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинаковым. Такое состояние называется динамическим равновесием - равенством двух противоположно направленных процессов. Если один из процессов усилится или ослабнет, то точка равновесия сместится. Например, если, как это делал Бернштейн, искусственно увеличить концентрацию К + в межклеточной среде, то это, естественно, будет мешать выходу из клетки новых порций положительно заряженных частиц (К +), и ПП станет менее отрицательным, смещаясь к нулю (см. рис. 8.2). Если же искусственно уравнять концентрацию К + в цитоплазме и вне клетки, то ПП будет равен нулю. Так Бернштейн доказал, что ПП в возбудимой клетке определяется разницей концентрации К + внутри этой клетки и во внеклеточной среде. Бернштейн предложил для количественной оценки ПП использовать уравнение, выведенное Вальтером Нернстом для искусственной системы, представляющей собой два раствора КС1 различной концентрации, разделенных искусственной мембраной, проницаемой только для К + (рис. 8.3).

Рис. 83.

а - принципиальная схема установки с двумя сосудами (1 и 2), содержащими разные концентрации КС1 и разделенными мембраной, проницаемой только для К + ;

6 - поток (показан стрелками) катионов (+) через мембрану из области с их большей концентрацией (1) в область с меньшей концентрацией (2), приводящий к возникновению на мембране потенциала

В один сосуд он налил 10%-ный раствор КС1, а во второй - 1%-ный раствор этой соли. В обоих растворах произошла диссоциация КС1 на К + и СП, но в сосуде 1 исходно было в 10 раз больше и катионов (К +), и анионов (С1“), чем в сосуде 2. Так как разделяющая растворы полупроницаемая мембрана хорошо пропускает катионы, то часть ионов калия (К +) перешла из сосуда 1, где концентрация КС1 исходно была выше, в сосуд 2, в котором концентрация КС1 была в 10 раз ниже. Поскольку ионы калия несут положительный заряд, то положительных зарядов в сосуде 2 будет больше, чем отрицательных. В сосуде 1 таким образом окажется некоторый избыток «брошенных» анионов хлора, потерявших свои катионы калия. Но отрицательно заряженные ионы С1“ будут притягивать назад часть положительно заряженных ионов К + за счет взаимодействия электрических зарядов. Через какие-то мгновения потоки К + из сосуда 1 в сосуд 2 и наоборот станут равными. Однако в сосуде 1 ионов К + будет все равно меньше, чем ионов С1 _ (ведь часть К* перешла в сосуд 2), а в сосуде 2 будет больше ионов К + , чем ионов С1 _ (за счет пришедших из сосуда 1). Следовательно, раствор в сосуде 1 будет заряжен отрицательно по отношению к раствору в сосуде 2.

Между растворами установится нернстовский потенциал, который, согласно уравнению Нернста, равен

где Е - величина потенциала, возникающего между растворами, налитыми в сосуд 1 и сосуд 2; R - газовая постоянная; Т - температура; F - число Фарадея; Z - валентность; [С { - концентрация ионов К + в сосуде 1; [С 2 ] концентрация ионов К + в сосуде 2.

Бернштейн предложил использовать приведенное выше уравнение Нернста для определения мембранного потенциала, как только узнал, что именно К + может проходить через мембрану покоящейся возбудимой клетки. Однако соотношение концентраций катионов калия внутри и снаружи клетки оказалось не 1: 10 (как в искусственной экспериментальной системе Нернста), а совсем другим. Так, в мышечных клетках калия в 49 раз больше, чем в среде, окружающей клетки. Зато в окружающей среде, т.е. вокруг возбудимых клеток, ионов натрия (Na +) приблизительно в 10 раз больше, чем внутри клеток. Однако, когда клетка находится в состоянии покоя, натрий не может проникать сквозь клеточную мембрану внутрь клетки и не участвует в создании 1111. За последние 70 лет многие ученые путем оригинальных экспериментов окончательно доказали, что отрицательный заряд покоящейся возбудимой клетки обусловлен тем, что часть ионов калия выходит через наружную мембрану во внешнюю среду до тех пор, пока не установится динамическое равновесие: сколько ионов калия вышло из клетки, столько же и войдет обратно. При этом на мембране устанавливается ПП, характерный для данного вида возбудимых клеток и определяемый тем, что в цитоплазме клетки остается избыток отрицательно заряженных ионов - анионов, главным образом, крупных белковых молекул, имеющих отрицательный заряд, «покинутых» катионами, т.е. ионами калия. Анионы пройти через мембрану не могут и остаются в клетке, определяя отрицательный заряд цитоплазмы.

Однако впоследствии было показано, что в мембране нейронов имеется небольшое количество постоянно открытых каналов для калия, по которым катионы натрия по градиенту концентрации (вокруг нейрона в 10 раз больше натрия, чем в цитоплазме) постоянно проникают в клетку, сдвигая 1111 к менее отрицательным значениям.

Входящий в клетку небольшой ток натрия (ток утечки), изменяя IIII, делает нейрон более возбудимым; чем этот ток значительнее, тем сильнее IIII сдвинут к тем пороговым величинам, за которыми следует переход нейрона в состояние возбуждения. Таким образом, возникает возможность поддерживать нейроны одних систем на высоком уровне возбудимости, а других - на пониженном. Как было выяснено, в межклеточной среде содержится в пять раз больше ионов хлора (С1“), чем в цитоплазме, однако в покое ток ионов хлора через наружную мембрану в клетку очень мал и составляет всего 4%, если сравнить с током ионов калия, но, строго говоря, для точного определения величины ГГП в уравнении Нернста надо подставить величины проницаемости для всех видов ионов, которые могут в покое проникать через мембрану клетки и менять ПП. Полученное уравнение носит имя Голдмана - Ходжкина - Катца:

где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.

Механизм генерации ПП, концентрация ионов вне и внутри клеток, проницаемость наружной мембраны для ионов - все это исследовалось на различных объектах, однако основной вид клеток, на котором проводились опыты, - нейроны кальмаров (точнее, аксоны этих нейронов). В 1930-е гг. было обнаружено, что аксоны нейронов некоторых нервных узлов (звездчатого ганглия) этих головоногих имеют гигантский диаметр (до 1 мм), и с ним очень удобно экспериментировать.

Итак, ПП возбудимой клетки определяется несколькими факторами, главными из которых, безусловно, являются разница концентраций К + внутри и снаружи клетки и свободный ток К + , идущий через мембрану. Определенную роль в генерации ПП играют слабые входящие токи Na + и С1“, для которых мембрана клетки, находящейся в состоянии покоя, почти непроницаема. Изменяя любой из этих параметров, можно в той или иной степени менять ПП, тем самым изменяя способность клетки к возбуждению.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя?

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

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

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

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

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

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

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

Определение

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

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

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

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

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

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

Сущность

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

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

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

1. Поведение мембраны

В поведении мембраны для потенциала покоя важны три процесса:

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

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

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

2. Поведение ионов калия и натрия

Ионы калия и натрия по-разному перемещаются через мембрану:

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

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

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

3. Соотношение химической и электрической силы

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

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

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

Формирование потенциала покоя

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

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

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

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

Натрий-калиевый насос

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

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

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

Образно говоря, можно выразиться так:

Создавая потенциал покоя, клетка "заряжается любовью".

Это любовь к двум вещам:

1) любовь клетки к калию,

2) любовь калия к свободе.

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

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

Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников таков:

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

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

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

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

1. Дефицит натрия (Na +) в клетке.

2. Избыток калия (K +) в клетке.

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

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

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

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

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

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

Анализ

От химического - к электрическому

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

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

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

Заключение

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

Составные части потенциала покоя

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

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

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

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

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

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

Выводы

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

Мембранный потенциал покоя образуется за счёт двух процессов:

1. Работа калий-натриевого насоса мембраны.

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

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

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

1.2. Создание предпосылок для возникновения большой электроотрицательности.

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

2. Утечка ионов калия из клетки.

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

Финал

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

Видео: Мембранный потенциал покоя (Resting membrane potential)

Для образования МПП необходимо наличие: 1) ионных трансмембранных градиентов между цитозолем и внеклеточной средой (ведущую роль играют ионы натрия и калия); 2) разной проницаемости мембраны для ионов, что определяется ионными каналами мембраны.

Величины градиентов: К + в цитозоле клетки примерно в 33 раза больше, чем во внеклеточной среде; Na + в клетке примерно в 14 раз, С1 _ в 20 раз и Са 2+ в десятки тысяч раз меньше, чем во внеклеточной среде.

Механизмы образования градиентов: калий-натриевый насос образует градиенты Na + и К + (рис. 1.2.3). Градиент С1~ создается в результате использования энергии градиента К + при их совместном транспорте из клетки, а также в результате его обмена на гидрокарбонат с помощью анионообменника CI/HCO3. Ионы активно удаляются из клетки с помощью Са 2+ -насоса и ионообмена на Na + .

Рис. 1.2.3. Калий-натриевый насос в клеточной мембране. Используя энергию фосфатной группы одной молекулы АТФ, насос переносит против градиента концентрации два иона К + из внеклеточной жидкости в цитозоль клетки и три иона Na + в противоположном направлении

Различная проницаемость мембраны для ионов определена наличием ионных каналов, их числом и состоянием.

Ионные каналы - интегральные белки мембраны, состоящие из нескольких субъединиц, образующих отверстие (пору) и способные с большей или меньшей избирательностью (селективностью) пропустить в клетку или из клетки неорганические ионы по концентрационному и электрическому градиентам (рис. 1.2.4).

Рис. 1.2.4.

а - каналы утечки без воротного механизма; б-г - каналы с воротным механизмом: б - канал закрыт, потенциально активен, в - канал открыт, г - канал закрыт, инактивирован; д - липидный бислой мембраны; 1 - селективный фильтр;

2 - активационные ворота; 3 - инактивационные ворота

В канале имеется участок, выполняющий роль «селективного фильтра» (d = 0,3-0,6 нм), через который ион может пройти после частичной или полной утраты своей водной оболочки. Через ионный канал в течение 1 с может проходить до 20 млн ионов, поэтому ионные токи каналов во много раз превосходят ионные токи, связанные с работой ионных насосов и ионообменников

Существует несколько видов ионных каналов. Каналы имеют воротный механизм, который определяет закрытое (потенциально активное), открытое (активированное) или закрытое (инактивированное) состояние канала. Проницаемость канала (состояние «ворот») регулируется: 1) изменением поляризации мембраны (по- тенциалуправляемые каналы); 2) влиянием химических веществ - нейромедиаторов, гормонов, лекарственных средств (хемоуправля- емые каналы); 3) деформацией мембраны (механочувствительные каналы).

Потенциалуправляемые каналы (натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные) находятся в возбудимых клетках. Они имеют воротную «частицу» (сенсор канала) в виде диполя, на концах которого располагаются разноименные заряды. По времени срабатывания ворот (от миллисекунд до секунд) каналы подразделяют на быстрые и медленные. Те участки мембраны возбудимых клеток, которые имеют такие каналы, называются возбудимыми мембранами (только в них возможно образование потенциала действия).

Хемоуправляемые каналы («канал-рецептор», «ионотропный рецептор») находятся в составе рецептора, на который действуют биоактивные вещества: нейромедиаторы - ацетилхолин, ГАМК, глутамат и др., гормоны, лекарственные средства (например, М-холи- норецептор, ГАМК А -рецептор и др.).

Механочувствительные каналы (МЧК) изменяют проводимость в ответ на деформацию мембраны при действии механических раздражителей, гидростатического и осмотического давления. Выделены различные виды МЧК: каналы, активируемые и ингибируемые растяжением мембраны; катионные (калиевые, кальциевые, неселективные), анионные каналы и др. Они могут создавать токи, достаточные для изменения электрического потенциала мембраны и активации потенциалуправляемых каналов.

В состоянии физиологического покоя проницаемость мембраны (Р) определяется в основном каналами утечки. Она очень низкая для Na + , средняя для С1 _ и более высокая для К + . Если P R+ принять

за единицу, то Р к+ : Р сг: P Na+ = 1: 0,4: 0,04.

Механизмы возникновения мембранного потенциала покоя. Диффузия К + из клетки по каналам утечки до равновесного потенциала (Е к+ = -94 мВ) является главным механизмом формирования МПП

(К + как поляризующий ион). Равновесный потенциал (Е ион) для К + - потенциал, при котором возникает равенство двух сил: силы перемещения иона по химическому градиенту и противоположной по направлению электростатической силы. При равенстве этих сил прекращается диффузия иона. Диффузия К + из клетки по электростатической силе (разность зарядов) увлекает за собой цитозольные анионы (белки, фосфаты), которые останавливаются около внутренней поверхности непроницаемой для них клеточной мембраны, образуя отрицательный мембранный потенциал.

Асимметричная работа калий-натриевого насоса (на 2 иона К + , перемещаемого в клетку, из нее выводится 3 иона Na +) создает поляризацию мембраны (около -10 мВ) и является вторым механизмом образования МПП (см. рис. 1.2.3).

Небольшая диффузия Na + по каналам утечки внутрь клетки (E Na+ = +60 мВ) делает реальный МПП несколько ниже, чем Е к+

(Na + как деполяризующий ион).

Функциональная роль МПП. Отрицательный мембранный потенциал и преимущественно внеклеточное расположение ионов натрия создает большую электродвижущую силу для Na + , направленную на движение этого катиона внутрь клетки. При открытых Na + -Ka- налах эта сила определяет выдающуюся роль Na + в развитии биопотенциалов (фазы деполяризации). В деятельности транспортеров и ионообменников возбудимых и невозбудимых клеток она позволяет осуществить вторично-активный транспорт: электродвижущая сила Na + используется для перемещения в клетку аминокислот и глюкозы, или выведения из клетки ионов кальция и водорода.

Препотенциал и критический уровень деполяризации. Главный потенциал возбудимых клеток - потенциал действия (ПД). Раздражителем при этом в естественных условиях служат биопотенциалы (рецепторные, синаптические) и их биотоки, которые деполяризуют мембрану, имеющую потенциалуправляемые ионные каналы. ПД возникает, если раздражитель способен деполяризовать мембрану до критического уровня (примерно на 15-20 мВ). Если деполяризация при действии раздражителя не достигает критического уровня, т.е. раздражитель является субпороговым, ПД не возникает, а образуется препотенциал.

Препотенциал (локальный ответ) - локальный потенциал, возникающий при действии субпороговых раздражителей в тех же участках мембраны, где и потенциал действия (т.е. имеющих потенциалуправляемые каналы). Препотенциал расположен в субпороговой области (между МПП и критическим уровнем деполяризации), имеет фазы деполяризации и реполяризации (рис. 1.2.5).

Механизмы возникновения препотенциала. При действии субпорогового раздражителя возникает деполяризация, связанная с открытием потенциалуправляемых 1Ча + -каналов и входящим в клетку Na + -TOKOM, который не достигает критического уровня деполяризации. Деполяризация открывает также и более медленные потенциалуправляемые К + -каналы, что увеличивает выходящий из клетки К + -ток и вызывает затем фазу реполяризации. Во время препотенциала входящий в клетку Na + -TOK меньше, чем выходящий из клетки К + -ток через потенциалуправляемые каналы и К + -каналы утечки. Поэтому после прекращения действия субпорогового раздражителя препотенциал исчезает.

Рис. 1.2.5. Схема локального ответа (препотенциала) и потенциала действия: 7 - деполяризация; 2 - реполяризация

Свойства препотенциала. Амплитуда препотенциала находится в прямой зависимости от силы раздражителя, он возникает в соответствии с законом «силы» (его амплитуда пропорциональна силе раздражителя). Препотенциалы способны к суммации, если промежутки между раздражителями короче, чем продолжительность существования препотенциала - новый препотенциал будет суммироваться с предыдущим. Следовательно, высокочастотные субпороговые раздражители могут деполяризовать мембрану до критического уровня и вызвать ПД. Во время препотенциала повышена возбудимость. Распространение препотенциала происходит с затуханием амплитуды на небольшие расстояния (обычно в пределах 1 мм).

Критический уровень деполяризации (КУД, или критический потенциал - Е кр) - тот уровень, при котором деполяризация мембраны может принимать регенеративный (самоусиливающийся) характер, свидетельствующий о развитии потенциала действия. При этом входящий в клетку Na + -TOK равен выходящему из клетки К + - току, что характеризует электрическую нестабильность мембраны - в равной степени процесс может идти как в сторону деполяризации и образования ПД, так и в сторону реполяризации и ограничиться препотенциалом. Раздражитель, деполяризующий МПП до КУД, называется пороговым раздражителем. Величина потенциала, равная разности между КУД и МПП, называется пороговым потенциалом (ПП = МПП - КУД), он характеризует возбудимость клетки (чем меньше ПП, тем больше возбудимость, и наоборот)