Мембранний потенціал спокою

Мембрана клітини електричне поляризована, і різницю потенціалів між зовнішньою і внутрішньою пластинками (поверхнями) клітинної мембрани називають мембранним потенціалом спокою (МПС). Для того щоб зрозуміти природу виникнення цього потенціалу, треба розглянути деякі властивості самої мембрани, а також склад поза- і внутрішньоклітинної рідин.

Клітинна мембрана має значний опір і ємність. Так, у аксона кальмара питомий опір клітинної мембрани (R_м) становить у стані спокою 1000 Ом • см², а ємність (С_м) — приблизно 1 мкФ/см². Ємність мембрани, яка створюється переважно її ліпідним матриксом, є досить сталою, а опір значною мірою залежить від стану її іонних каналів (мал 2.2).

Існування МПС зумовлене передусім неравномірною концентрацією іонів у поза - та внутрішньоклітинному просторі.

Другим важливим чинником, який має значення для створення МПС, є різна проникливість клітинної мембрани для різних іонів. Клітинна мембрана легко проникна дляжиророзчинних речовин, молекули яких проходять крізь її ліпідний матрикс. Водорозчинні молекули великого діаметра, у тому числі й аніони органічних кислот, практично не проникають крізь мембрану У стані фізіологічного спокою клітинна мембрана є проникною для К⁺, оскільки в ній є спеціальні калієві канали, що пропускають лише гідратований калій.

Коли К⁺ виходить із клітини, він затримується на зовнішній поверхні клітинної мембрани, створюючи її позитивний заряд. Великі аніони не можуть пройти із клітини скрізь мембрану і накопичуються біля її внутрішньої поверхні, створюючи негативний потенціал. Так виникає трансмембранна різниця потенціалів, або МПС.

Цей потенціал протидіє подальшому виходу К⁺ за електрохімічним градієнтом.

Переміщення К⁺ із клітини назовні зумовлюється його концентраційним градієнтом, який здійснює осмотичну роботу.

Унаслідок МПС К⁺ частково повертається назад у клітину. При цьому здійснюється електрична робота.

.

Мал. 2.2. Будова клітинної мембрани (о), її еквівалентна електрична схема (е) і схема активного перенесення йонів за рахунок енергії АТФ (б): / — іонний насос; 2 — ліпідний матрикс (білкові молекули, то утворюють іонні канали і насос, заштриховані); горизонтальними стрілками показано ворітні механізми, вертикальними — напрямок руху іонів; Е_Nа, Е_К, Е_нас — потенціал натрію, калію, насоса; R_м, С_м — опір та ємність клітинної мембрани

Якщо вихід К⁺ із клітини переважає над надходженням, то поступово зростає А_елі дещо зменшується а _осм. Внаслідок цього на клітинній мембрані виникає потенціал Е, за якого А_ел=а_осм для К⁺ і який називають калієвим рівноважним потенціалом (Е_К).

Різницю між поточним значенням МПС і Е_кназивають електрохімічним градієнтом для К_К. Він є основною причиною пасивного рухуК⁺ крізь мембрану в природних умовах.

Якщо відношення внутрішньої і зовнішньої концентрації йонів калію становить, наприклад, 39, а температура середовища + 20˚ С то Е_к становитиме 0,092 В.

За такого значення Е_к різниця концентрацій К⁺ між внутрішнім і зовнішнім середовищами клітини залишається практично незмінною, незважаючи на високу проникливість клітинної мембрани до К⁺, оскільки підтримується постійною роботою натрій-калієвого насоса.

На підтримання МПС витрачається дуже мало К⁺, основна їх частина повинна забезпечувати електронейтральністьвнутрішнього середовища клітини. Адже внутрішньоклітинні аніони – це переважно великі білкові молекули, які не можуть пройти крізь клітинну мембрану, і тому їх концентрація залишається сталою. Ці великі аніони мають бути зрівноважені відповідною кількістю катіонів. У зв'язку із тим, що вміст Nа⁺ всередині клітини дуже незначний, цю функцію виконують К⁺. Тому внутрішньоклітинна концентрація К⁺ має бути такою ж високою, як і концентрація великих аніонів, і такою ж стабільною.

МПС створює електричне поле значної напруги — 10⁵ В/см². Це поле діє на макромолекули мембрани й надає їхнім зарядженим групам певної просторової орієнтації. Крім того, електричне поле МПС забезпечує функцію іонних каналів клітинної мембран.

У стані спокою клітинна мембрана є добре проникною не лише для К⁺, вона:певною мірою проникна також для інших іонів, зокрема Nа⁺, С1^–, Са²⁺. Потоки цих іонів порушують рівноважний стан. Той факт, що в умовах спокою Nа⁺ постійні надходить у клітину, а К⁺ виходить із неї має дуже важливі наслідки, оскільки система не може бути фактично врівноважена, за допомогою звичайної дифузії і простого відновлення заряду на клітинній мембрані. Якщо немає інших процесів, то клітина дуже швидко накопичуватиме Nа⁺ і втрачатиме К⁺, що зменшить їх трансмембранний градієнт. Отже, цей процес може призвести до різкого зниження МПС і загибелі клітини. Проте такого не відбувається, оскільки цьому протидіє натрій-калієвий насос.

Оскільки Nа⁺ сам не може вийти із клітини, а К⁺ — надійти в клітину проти своїх електрохімічних градієнтів, вони повинні переміщуватися крізь мембрану активно і на забезпечення цього транспорту має витрачатися енергія. Такий механізм дістав назву натрій-калієвого насоса. Він працює, споживаючи енергію АТФ, і його основним компонентом є фермент мембранна натрій-калій-АТФ-аза. Для роботи насоса обов'язково мають бути зовні іони К⁺, а всередині — Nа⁺.

Енергія розщеплення однієї молекулі АТФ забезпечує виведення із клітині трьох іонів натрію і введення всередині клітини двох іонів калію. Це означає, що натрій-калієвий насос є електрогенним: він створює на клітинній мембрані додаткову різницю потенціалів Е_нас, яка додається до рівня МПС.

Цей електрогенний додаток до нормального рівня МПС неоднаковий для різних клітин. Зазвичай у нервових клітин хребетних він незначний, а в гладком'язових клітинах може становити до 25 % значенні МПС.

Отже, у формувати МПС натрій-каліевий насос виконує дві функції: 1) підтримує трансмембранний градієнт концентрацій Nа⁺ і К⁺; 2) генерує певну різницю потенціалів, яка додається до потенціалу що створюється дифузією К⁺ за концентраційним градієнтом.

Важливим показником здатності іонів проходити крізь клітинну мембрану є її проникність. Значення проникності для іонів К⁺,Nа⁺ і Сl^– (Р_К Р_Nа, Р_Сl) можна використовувати для обчислення МПС мембрани, проникної для всіх цих іонів, за рівнянням Гольдмана — Ходжкіна— Катца.

Мембранним потенціалом спокою (МПС) для різних тканин складає:. 20 мВ в епітеліальних клітинах, 60 – 70 в нервових та 80 – 90 в м’язових.

ПОТЕНЦІАЛ ДІЇ

Збудливість притаманна тканинам, які здатні реагувати на подразнення процесом збудження, поширення якого по збудливих тканинах призводить до прояву специфічної реакції.К таким тканинам відносяться нервова, м’язова та секреторна. Збудливість залежить від ряду факторів, а саме:

1) приналежності тканини (нервова – м'язова – залозиста);

2) у межах однієї тканини – від її розташування, наприклад залозиста тканина – шлункові – підшлункова – кишкові залози;

3) від ступеня диференціювання тканини;

4) від температури тіла;

5) від фізіологічного стану організму;

6) від застосування хімічних речовин – малі дози підвищують збудливість, великі – знижують.

Збудження тканин в живому організмі виникає під впливом нервової системи. Нервовоа система, в свою чергу, отримують імпульси збудження від чутливих специфічних закінчень – рецепторів.

В експерименті можна отримати відповідь на будь-яке подразнення, але бажано, щоб це був електричний подразник певної сили.

Під подразником розуміють фактор зовнішнього або внутрішнього середовища, який спроможний впливати на живу тканину. Подразники можна класифікувати за різними ознаками:

1. За місцем дії – зовнішні, внутрішні (нервові імпульси, гормони, продукти обміну речовин).

2. За біологічною дією на тканину – адекватні, неадекватні.

3. За природою подразників (це, в основному, стосується зовнішніх подразників) механічні, термічні, хімічні, біологічні і електричні.

4. За силою подразники поділяться на:

а) підпорогові;

б) порогові;

в) надпорогові:

¨ оптимальні;

¨ надмаксимальні (позамежові, песимальні).

Під дією подразника в клітині змінюється швидкість обміну речовин, споживання кисню, виділення вуглекислого газу, зміна температури тощо. На мембрані клітини знижується потенціал, який відновлюється після закінчення дії подразника.

Це відноситься до всіх клітин, але збудливі тканини відповідають на подразнення дещо інакше. В них за певних умов виникає процес збудження – перехід тканини в діяльний стан і відповідь на подразнення специфічною відповідною реакцією. Такими специфічними реакціями є: для нервової тканини – проведення нервового імпульсу, для м'язової тканини (непосмугованої і посмугованої) – скорочення, для епітеліальної залозистої тканини – виділення секрету.

Збудження виникає тільки за таких умов:

1. За певної сили подразника.

2. За певної швидкості нанесення подразнення.

3. За певної тривалості дії подразника.

Відповідь клітини на подразнення різної сили неоднакова.

До підпорогових подразників відносяться подразники такої сили, які викликають тільки локальний потенціал, але не викликають збудження. Особливостями локального потенціалу є те що він залежить від сили подразнення і зростає досить повільно, зникає після того, як припиняється подразнення. Він здатний до сумації, але нездатний до незатухаючого розповсюдження.

Всі надпорогові подразники завжди викликають відповідну реакцію, яка може бути різною, в залежності від сили подразника. Оптимальні за силою подразники викликають максимальне збудження, надмаксимальні – песимальну відповідь.

Крім визначеної сили подразника для розвитку збудження важлива і швидкість нанесення подразнення або, краще сказати, градієнт подразнення. Градієнт подразнення – це швидкість зростання сили подразника.

Якщо збільшення сили подразника відбувається повільно, збудження може і не виникнути. Так, під час повільного здавлювання нерва відбувається його подразнення, але збудження не виникає. Під час повільного нагрівання м'яза або нерва, в тканині може статися денатурація білків, але збудження не відбувається. Пристосування збудливої тканини до повільно наростаючої сили подразника називають акомодацією. Різні тканини, клітини та їхні структурні елементи (рецептори тощо) мають різну акомодацію. За максимально швидкого наростання сили подразника, поріг збудження знижується. Тривалість дії подразника має певну залежність від сили подразника.

Для виміру збудливості можна користуватися декількома показниками, один із яких – гранична сила подразника. Показник граничної сили дії подразника характеризує фізіологічний стан збудливої тканини. Чим збудливість тканини вище, тим нижче гранична сила для розвитку процесу збудження, і навпаки. Мінімальна сила подразника, яка спроможна викликати збудження, називається реобазою. Якщо побудувати графік, у якому на осі ординат буде відкладена сила подразника, а на осі абсцис – мінімальний час її дії, тоді одержимо криву сили – часу. Найменший період часу, протягом якого має діяти струм силою в одну реобазу, щоб викликати потенціал дії, називається корисним часом.

Є певна залежність між силою і тривалістю дії подразника. Чим сильніше подразник, тим більш короткий час його дії, який потрібен для виникнення збудження. Проте за сили подразника в одну реобазу, навіть на дуже чутливих приладах, важко визначити корисний час, оскільки незначним змінам сили подразнення будуть відповідати великі зміни в часі.

Піддавши математичному аналізу криву сили – тривалості, Л. Лапік (1908) прийшов до висновку, що для характеристики збудливості за часом дії подразника потрібно взяти час дії подвоєної граничної сили цього подразника. Тоді точка, що відповідає часу дії подвоєної граничної сили, буде знаходитися у місці перегину (крутого вигину кривої; у цьому випадку тривалість подразнення визначається точно). Отже, більш точно збудливість буде характеризуватися показником, що називається хронаксією (мал 2.3).

Мал.2.3. Залежність між силою і тривалістю подразнення збудливої тканини: