Электрические явления в возбудимых клетках

Мембранный потенциал покоя. Мембранным потенциалом покоя (МПП) или потенциалом покоя (ПП) называют разность потенци­алов покоящейся клетки между внутренней и наружной сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрица­тельно по отношению к наружной. Принимая потенциал наружного раствора за нуль, МПП записывают со знаком "минус". Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. Сле­довательно, в состоянии покоя клеточная мембрана поляризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение — гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП — ре-поляризацией мембраны.

Основные положения мембранной теории происхождения МПП сводятся к следующему. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К⁺ (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na⁺ и практически непроницаема для внутриклеточ­ных белков и других органических ионов. Ионы К⁺ диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности по­тенциалов через мембрану.

Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К⁺ из клет­ки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К⁺ по концентрационному градиенту и входом этих катионов по воз­никшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при ко­тором достигается это равновесие, называется равновесным потенци­алом. Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста:

где Е_к — равновесный потенциал для К ⁺; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; п — валентность К⁺ (+1), [К_н⁺] — [К⁺_вн] — наружная и внутренняя концентрации К⁺-

Если перейти от натуральных логарифмов к десятичным и под­ставить в уравнение числовые значения констант, то уравнение примет вид:

В спинальных нейронах (табл. 1.1) Е_к = -90 мв. Величина МПП, измеренная с помощью микроэлектродов заметно ниже - 70 мв.

Если мембранный потенциал клетки имеет калиевую природу, то, в соответствии с уравнением Нернста, его величина должна линейно снижаться с уменьшением концентрационного градиента этих ионов, например, при повышении концентрации К⁺ во внеклеточной жид­кости. Однако линейная зависимость величины МПП от градиента

47

Таблица 1.1. Концентрация некоторых ионов внутри и снаружи спинальных мотонейронов млекопитающих

концентрации К⁺ существует только при концентрации К⁺ во вне­клеточной жидкости выше 20 мМ. При меньших концентрациях К⁺ снаружи клетки кривая зависимости Е_м от логарифма отношения концентрации калия снаружи и внутри клетки отличается от теоре­тической. Объяснить установленные отклонения экспериментальной зависимости величины МПП и градиента концентрации К⁺ теорети­чески рассчитанной по уравнению Нернста можно, допустив, что МПП возбудимых клеток определяется не только калиевым, но и натриевым, и хлорным равновесным потенциалами. Рассуждая ана­логично с предыдущим, можно записать:

Величины натриевого и хлорного равновесных потенциалов для спинальных нейронов (табл. 1.1) равны соответственно +60 и -70 мв. Значение Е_Cl равно величине МПП. Это свидетельствует о пассив­ном распределении ионов хлора через мембрану в соответстии с химическим и электрическим градиентами. Для ионов натрия химический и электрический градиенты направлены внутрь клетки.

Вклад каждого из равновесных потенциалов в величину МПП определяется соотношением между проницаемостью клеточной мем­браны для каждого из этих ионов. Расчет величины мембранного потенциала производится с помощью уравнения Гольдмана:

где

Е_m — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; Т — аб­солютная температура; F — число Фарадея; Р_K, P_Na и Р_Cl — кон-

44

станты проницаемости мембраны для К⁺ Na⁺ и Сl, соответственно; [К⁺_н], [K⁺_вн, [Na ⁺_н [Na ⁺ _вн], [Сl^-_н] и[Сl^-_вн ]- концентрации K⁺, Na⁺ и СГ снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

Подставляя в это уравнение полученные в экспериментальных ис­следованиях концентрации ионов и величину МПП, можно пока­зать, что для гигантского аксона кальмара должно быть следующее соотношение констант проницаемости Р_к: P_Na: Р_С1 = I: 0,04: 0,45. Очевидно, что, поскольку мембрана проницаема для ионов натрия (Р_Na =/ 0) и равновесный потенциал для этих ионов имеет знак "плюс", то вход последних внутрь клетки по химическому и элект­рическому градиентам будет уменьшать электроотрицательность ци­топлазмы, т.е. увеличивать МПП.

При повышении концентрации ионов калия в наружном растворе выше 15 мМ МПП увеличивается и соотношение констант прони­цаемости меняется в сторону более значительного превышения" Р_к над P_Na и Р_С1. Р_к: P_Na: Р_С1 = 1: 0.025: 0,4. В таких условиях МПП определяется почти исключительно градиентом ионов калия, поэто­му экспериментальная и теоретическая зависимости величины МПП от логарифма отношения концентраций калия снаружи и внутри клетки начинают совпадать.

Таким образом, наличие стационарной разности потенциалов меж­ду цитоплазмой и наружной средой в покоящейся клетке обуслов­лено существующими концентрационными градиентами для К⁺, Na⁺ и Сl и различной проницаемостью мембраны для этих ионов. Основную роль в генерации МПП играет диффузия ионов калия из клетки в наружный наствор. Наряду с этим, МПП определяется также натриевым и хлорным равновесными потенциалами и вклад каждого из них определяется отношениями между проницаемостями плазматической мембраны клетки для данных ионов.

Все факторы, перечисленные выше, составляют так называемую ионную компоненту МПП. Поскольку, ни калиевый, ни натриевый равновесные потенциалы не равны МПП. клетка должна поглощать Na⁺ и терять К⁺. Постоянство концентраций этих ионов в клетке поддерживается за счет работы Na⁺ К⁺-АТФазы.

Однако роль этого ионного насоса не ограничивается поддержа­нием градиентов натрия и калия. Известно, что натриевый насос электрогенен и при его функционировании возникает чистый поток положительных зарядов из клетки во внеклеточную жидкость, обу­славливающий увеличение электроотрицательности цитоплазмы по отношению к среде. Электрогенность натриевого насоса была выяв­лена в опытах на гигантских нейронах моллюска. Электрофорети-ческая инъекция ионов Na⁺ в тело одиночного нейрона вызывала гиперполяризацию мембраны, во время которой МПП был значи­тельно ниже величины калиевого равновесного потенциала. Указан­ная гиперполяризация ослаблялась при снижении температур рас­твора, в котором находилась клетка, и подавлялась специфическим ингибитором Na⁺, К⁺-АТФазы уабаином.

Из сказанного следует, что МПП может быть разделен на две компоненты — "ионную" и "метаболическую". Первая компонента

49

зависит от концентрационных градиентов ионов и мембранных про-ницаемостей для них. Вторая, "метаболическая", обусловлена актив­ным транспортом натрия и калия и оказывает двоякое влияние на МПП. С одной стороны, натриевый насос поддерживает концент­рационные градиенты между цитоплазмой и внешней средой. С другой, будучи электрогенным, натриевый насос оказывает прямое влияние на МПП. Вклад его в величину МПП зависит от плотности "насосного" тока (ток на единицу плошади поверхности мембраны клетки) и сопротивления мембраны.

Мембранный потенциал действия. Если на нерв или мышцу на­нести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуж­дении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму оди­ночного пика, называется мембранным потенциалом действия (МПД).

МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некото­рого критического значения, называемого порогом генерации МПД. В гигантских нервных волокнах кальмара МПД равен - 60 мВ. При деполяризации мембраны до -45 мВ (порог генерации МПД) воз­никает МПД (рис. 1.15).

Рис. 1.15 Потенциал

действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).

Во время возникновения МПД в аксоне кальмара сопротивление мембраны уменьшается в 25 раз, с 1000 до 40 Ом.см², тогда как электрическая емкость не изменяется. Указанное снижение сопро­тивления мембраны обусловлено увеличением ионной проницаемости мембраны при возбуждении.

По своей амплитуде (100-120 мВ) МПД на 20-50 мВ превышает величину МПП. Другими словами, внутренняя сторона мембраны на короткое время становится заряженной положительно по отношению к наружной, — "овершут" или реверсия заряда.

Из уравнения Гольдмана следует, что лишь увеличение проница­емости мембраны для ионов натрия может привести к таким изме­нениям мебранного потенциала. Значение Е_к всегда меньше, чем величина МПП, поэтому повышение проницаемости мембраны для К⁺ будет увеличивать абсолютное значение МПП. Натриевый равно­весный потенциал имеет знак "плюс", поэтому резкое увеличение проницаемости мембраны для этих катионов приводит к перезарядке мембраны.

Во время МПД увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Расчеты показали, что если в состоянии покоя соотношение констант проницаемости мембраны для К⁺, Na⁺ и СГ равно 1:0,04:0,45, то при МПД - Р_к: P_Na: Р = 1: 20: 0,45. Сле­довательно, в состоянии возбуждения мембрана нервного волокна не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость, а, напротив, из избирательно проницаемой в покое для ионов калия она становится избирательно проницаемой для ионов натрия. Уве­личение натриевой проницаемости мембраны связано с открыванием потенциал-зависимых натриевых каналов.

Механизм, который обеспечивает открывание и закрывание ион­ных каналов, получил название ворот канала. Принято различать активационные (m) и инактивационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: закрытом (m-ворота закрыты; h-открыты), открытом (m- и h-ворота открыты) и инак-тивированном (m-ворота открыты, h- ворота закрыты) (рис 1.16).

Рис. 1.16 Схема положения активационных (m) и инактивационных (h) ворот натриевых каналов, соответствующие закрытому (покой, А), открытому (активация, Б) и инактивированному (В) состояниям.

Деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m-ворота натриевых ка­налов (переход из состояния А в Б) и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов — ионов на-

5/

трия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и, следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Воз­никает "регенеративная" деполяризация мембраны, в результате ко­торой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

Причиной прекращения роста МПД и реполяризации мембраны клетки является: а) увеличение деполяризации мембраны, т.е. когда Е_м -» E_Na, в результате чего снижается электрохимический градиент для ионов натрия, равный Е_м —> E_Na. Другими словами, уменьшается сила, "толкающая" натрий внутрь клетки; б) деполяризация мембра­ны порождает процесс инактивации натриевых каналов (закрывание h-ворот; состояние В канала), который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению; в) деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Выходя­щий калиевый ток стремится сместить мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала.

Снижение электрохимического потенциала для ионов натрия и инактивация натриевых каналов уменьшает величину входящего на­триевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током — рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны, которая также имеет регенеративный характер. Начавшаяся реполяризация ведет к закры­ванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую прони­цаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличи­вает число закрытых каналов и т.д.

Фаза реполяризации МПД в некоторых клетках (например, в кар-диомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, формируя плато ПД, обусловленное сложными изменениями во вре­мени входящих и выходящих токов через мембрану. В последей­ствии МПД может возникнуть гиперполяризация или/и деполяриза­ция мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболичес­кую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в нервном волокне мембраны остается некоторое время (десятки и даже сотни миллисекунд) повышенной после генерации МПД и смещает мем­бранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, вследствие накопления ионов натрия в клетке.

Причиной деполяризации, развивающейся после генерации МПД, является накопление ионов калия у наружной поверхности мембра­ны. Последнее, как это следует из уравнения Гольдмана, ведет к увеличению МПП.

С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью. Во время абсо­лютного рефрактерного периода нервное волокно полностью утра­чивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой

52

силы. Относительная рефрактерность, следующая за абсолютной, ха­рактеризуется более высоким порогом возникновения МПД.

Представление о мембранных процессах, происходящих во время возбуждения нервного волокна, служит базой для понимания и яв­ления аккомодации. В основе аккомодации ткани при малой кру­тизне нарастания раздражающего тока лежит повышение порога воз­буждения, опережающее медленную деполяризацию мембраны. По­вышение порога возбуждения почти целиком определяется инакти­вацией натриевых каналов. Роль повышения калиевой проницаемос­ти мембраны в развитии аккомодации состоит в том, что оно при­водит к падению сопротивления мембраны. Вследствие снижения сопротивления скорость деполяризации мембраны становится еще медленнее. Скорость аккомодации тем выше, чем большее число натриевых каналов при потенциале покоя находится в инактивиро-ванном состоянии, чем выше скорость развития инактивации и чем выше калиевая проницаемость мембраны.

Проведение возбуждения. Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужден­ным и покоящимися участками мембраны. Последовательность со­бытий в этом случае представляется в следующем виде.

При нанесении точечного раздражения на нервное волокно в со­ответствующем участке мембраны возникает потенциал действия. Внутренняя сторона мембраны в данной точке оказывается заря­женной положительно по отношению к соседней, покоящейся. Между точками волокна, имеющими различный потенциал, возни­кает ток (локальный ток), направленный от возбужденного (знак (+) на внутренней стороне мембраны) к невозбужденному (знак (-) на внутренней стороне мембраны) к участку волокна. Этот ток оказы­вает деполяризующее влияние на мембрану волокна в покоящемся участке и при достижении критического уровня деполяризации мем­браны в данном участке возникает МПД. Этот процесс последова­тельно распространяется по всем участкам нервного волокна.

В некоторых клетках (нейронах, гладких мышцах) МПД имеет не натриевую природу, а обусловлен входом ионов Ca²⁺ по потенциал-зависимым кальциевым каналам. В кардиомиоцитах генерация МПД связана с входящими натриевым и натрий-кальциевым токами.

1.9. Трансэпителиальный транспорт

В некоторых органах (желудок, кишечник, желчный пузырь, поч­ки, легкие) транспорт веществ осушествляется через слой клеток, а не единичную клеточную мембрану. Такой перенос веществ назы­вают трансэпителиальным.

Перенос органических веществ, Сахаров, аминокислот через эпи­телиальный барьер происходит по механизму сопряженного с иона­ми натрия транспорта, то есть этот транспорт осуществляется со значительной скоростью лишь в присутствии ионов натрия. В мем­бране эпителиоцита, обращенной в просвет органа, образуется ком-

53

плекс субстрат-переносчик-Na⁺. За счет энергии электрохимическо­го градиента ионов натрия комплекс перемещается на внутреннюю, цитоплазматическую сторону апикальной мембраны, где и распада­ется с освобождением в цитоплазму субстрата и натрия. Благопри­ятный для входа ионов натрия концентрационный градиент созда­ется за счет работы Na⁺, К⁺-АТФазы, локализованной в базальной, обращенной к серозе, мембране эпителиоцита. Следовательно, транс­порт Сахаров и аминокислот в эпителиоцит против их концентра­ционного градиента осуществляется за счет вторичного активного транспорта. Из цитоплазмы эпителиальных клеток сахара и амино­кислоты диффундируют в серозную часть органа через базальную мембрану по градиенту их концентрации, вероятно, с участием еще одного, но уже натрий-независимого переносчика (рис. 1.17).

Рис. 1.17 Схема сопряжения транспорта Сахаров и аминокислот с транспортом натрия в эпителии тонкой кишки.

ЭЦ, AM, БМ — эпителиоцит, его апикальная и базальная мембраны;

S—С—Na⁺ — тройной комплекс: S — сахар или аминокислота, С — переносчик, С₁ — Na⁺, К⁺ — АТФаза (или переносчик натрия через базапьную мембрану);

И _м И_т — трансмембранная и трансэпителиальная разность потенциалов

Рис. 1.18 Модель, поясняющая возможные механизмы противоградиентного транспорта воды.

Перенос сопи через мембрану (I) приводит к повышению её концентрации в замкнутом объёме (2), расположенном в межклеточном пространстве. Канал (3), через который вода и растворенные в ней вещества по градиенту гидростатического давления выводятся в соединительную ткань.

В результате активного транспорта ионов натрия создается транс­эпителиальная разность потенциалов со знаком "плюс" на серозной поверхности эпителия. Этот электрический градиент является источ­ником энергии для транспорта ионов хлора и других анионов из просвета органа в кровь.

Работа натриевого насоса, обеспечивая активное выведение ионов натрия, создает и трансэпителиальный осмотический градиент, в результате чего поток воды направляется из полости органа наружу через монослой клеток. Вода может поступать и против осмотичес­кого градиента. Возможные механизмы такого переноса воды рас­сматриваются на модели (рис. 1.18). Допускается, что межклеточные пространства эпителия представляют собой изолированные со сто­роны просвета органа полости. В эти полости активно транспорти­руются ионы натрия; хлор следует за ними пассивно по градиенту электрического потенциала. Создание гипертонической среды (NaCl) в замкнутом пространстве обуславливает возникновение водного потока, направленного в эту же полость. Поступление воды приво­дит к снижению концентрации NaCl в межклеточном пространстве до изотонической. Однако изотонический раствор, накопление ко­торого продолжается благодаря действию натриевого насоса, вслед­ствие повышения гидростатического давления в полости будет вы­тесняться в соединительную ткань, прилегающую к стенке органа.

Детали работы описанного механизма в разных органах и орга­низмах могут быть различными. Так, в эпителии кишечника пред­полагается существование активного транспорта не только натрия и калия, но и хлора. Интенсивно изучается роль Сl^-/НСО₃^- — обмен-ника в процессах всасывания.