8. Механізм виникнення мембранного потенціалу

Мембранний потенціал (МП) є різницею потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани збудливої клітини в умовах її спокою. У середньому клітин збудливих тканин МП досягає 50 - 80 мВ, зі знаком мінус всередині клітини. Дослідження природи мембранного потенціалу показало, що у всіх збудливих клітинах (нейрони, м'язові волокна, міокардіоцити, гладком'язові клітини) його наявність зумовлена переважно іонами К+. Як відомо, у збуджуваних клітинах за рахунок роботи Na-K-насоса концентрація іонів К+ у цитоплазмі в умовах спокою підтримується на рівні 150 мМ, тоді як у позаклітинному середовищі концентрація цього іону зазвичай не перевищує 4 – 5 мМ. Це означає, що внутрішньоклітинна концентрація іонів К+ у 30 – 37 разів вища, ніж позаклітинна. Тому за градієнтом концентрації іони К+ прагнуть вийти з клітини у позаклітинне середовище. В умовах спокою, дійсно, існує потік іонів К+, що виходить з клітини, при цьому дифузія здійснюється по калієвих каналах, більша частина яких відкрита. Внаслідок того, що мембрана збудливих клітин непроникна для внутрішньоклітинних аніонів (глутамату, аспартату, органічних фосфатів), на внутрішній поверхні мембрани клітини внаслідок виходу іонів К+ утворюється надлишок негативно заряджених частинок, а на зовнішній – надлишок позитивно заряджених частинок. Виникає різниця потенціалів, тобто мембранний потенціал, який перешкоджає надмірному виходу іонів К+ із клітини. При деякому значенні МП настає рівновага між виходом іонів К+ по концентраційному градієнту і входом (поверненням) цих іонів по електричному градієнту, що виник. Мембранний потенціал, при якому досягається ця рівновага, отримав назву рівноважного потенціалу. Крім іонів К+ певний внесок у створеннямембранного потенціалу вносять іони Na+ та Сl. Зокрема, відомо, що концентрація іонів Na+ у позаклітинному середовищі у 10 разів більша, ніж усередині клітини (140 мМ проти 14 мМ). Тому іони Na+ за умов спокою прагнуть увійти у клітину. Однак основну частину натрієвих каналів в умовах спокою закрито (відносна проникність для іонів Na+, судячи з експериментальних даних, отриманих на гігантському аксоні кальмару, в 25 разів нижче, ніж для іонів К+). Тому в клітину входить лише невеликий потік іонів Na+. Але й цього достатньо, щоб хоча б частково компенсувати надлишок аніонів усередині клітини. Концентрація іонів Сl у позаклітинному середовищі також вища, ніж усередині клітини (125 мМ проти 9 мМ), і тому ці аніони також прагнуть увійти в клітину, очевидно, хлорними каналами.

Мембранний потенціал спокою великих нервових волокон, коли з них проводять нервові сигнали, становить близько -90 мВ. Це означає, що потенціал усередині волокна на 90 мВ негативніший, ніж потенціал позаклітинної рідини зовні волокна. Далі ми пояснимо всі чинники, що визначають рівень цього потенціалу спокою, але насамперед необхідно описати транспортні властивості мембрани нервового волокна для іонів натрію та калію в умовах спокою. Активний транспорт іонів натрію та калію через мембрану. Натрій-калієвий насос. Згадаймо, що всі клітинні мембрани організму мають потужний Na+/K+-Hacoc, який постійно викачує іони натрію назовні клітини і закачує всередину іони калію. Це електрогенний насос, оскільки позитивних зарядів назовні перекачується більше, ніж усередину (3 іони натрію на кожні 2 іони калію, відповідно). В результаті всередині клітини створюється загальний дефіцит позитивних іонів, що веде до негативного потенціалу внутрішньої сторони клітинної мембрани. Na+/K+-Hacoc створюєтакож великий градієнт концентрації для натрію та калію через мембрану нервового волокна у спокої: Na+ (зовні): 142 мекв/л Na+ (всередині): 14 мекв/л К+ (зовні): 4 мекв/л К+ (всередині): 140 мекв/л Відповідно, відношення концентрацій двох іонів всередині та зовні становить: Na всередині / Na зовні - 0,1 До всередині / -До зовні = 35,0

Витік калію та натрію через мембрану нервового волокна. На малюнку показаний канальний білок у мембрані нервового волокна, який називається каналом калій-натрієвого витоку, через який можуть проходити іони калію та натрію. Особливо істотний витік калію, оскільки канали проникніші для іонів калію, ніж натрію (у нормі приблизно в 100 разів). Як обговорюється далі, ця відмінність у проникності надзвичайно важлива визначення рівня нормального мембранного потенціалу спокою.

Таким чином, основними іонами, що визначають величину МП, є іони К+, що залишають клітину. Іони Na+, що входять у клітину в невеликих кількостях, частково зменшують величину МП, а іони Сl-, також входять у клітину за умов спокою, певною мірою компенсують цей вплив іонів Na+. До речі, у численних експериментах з різними збудливими клітинами встановлено, що чим вище проникність клітинної мембрани для іонів Na+ в умовах спокою, тим нижча величина МП. Для того, щоб МП підтримувався на постійному рівні, необхідна підтримка іонної асиметрії. Для цього, зокрема, є іонні насоси (Na-K-насос, а також, ймовірно, Сl-насос) які відновлюють іонну асиметрію, особливо після акту збудження. Оскільки цей вид транспорту іонів активний, т. е. потребує витрати енергії, то підтримки мембранного потенціалу клітини необхідне постійне наявність АТФ.

Природа потенціалу дії

Потенціал дії (ПД)являє собою короткочасну зміну різниці потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани (або між двома точками тканини), що виникає у момент збудження. При реєстрації потенціалу дії нейронів за допомогою мікроелектродних спостерігається типовий пікоподібний потенціал. У спрощеному вигляді при виникненні ПД можна виділити такі фази: початковий етап деполяризації, потім швидке зниження мембранного потенціалу до нуля і перезаряджання мембрани, далі відбувається відновлення вихідного рівня мембранного потенціалу (реполяризація). Основну роль цих процесах грають іони Na+, деполяризація спочатку обумовлена незначним підвищенням проникності мембрани для іонів Na+. Але що стоїть ступінь деполяризації, то вище стає проникність натрієвих каналів, то більше вписувалося іонів натрію входить у клітину і тим вище ступінь деполяризації. У цей час відбувається як зниження різниці потенціалів до нуля, а й зміна поляризованості мембрани – на висоті піку ПД внутрішня поверхня мембрани заряджена позитивно стосовно зовнішньої. Процеси реполяризації пов'язані зі збільшенням виходу з клітини іонів К+ через канали, що відкрилися. В цілому, слід зазначити, що генерація потенціалу дії – це складний процес, в основі якого лежить скоординована зміна проникності плазматичної мембрани для двох або трьох основних іонів (Na+, K+ та Са++). Основною умовою порушення збудливої клітини є зниження її мембранного потенціалу до критичного рівня деполяризації (КУД). Будь-який подразник, або агент, здатний знизити мембранний потенціал збудливої клітини до критичного рівня деполяризації, здатний порушити цю клітину. Як тільки МП досягне рівня КУД, процес триватиме самостійно тапризведе до відкриття всіх натрієвих каналів, тобто до створення повноцінного ПД. Якщо мембранний потенціал не досягне цього рівня, то у кращому випадку виникне так званий місцевий потенціал (локальна відповідь).

У ряді збудливих тканин величина мембранного потенціалу за часом непостійна - періодично вона знижується (тобто виникає спонтанна деполяризація) і самостійно досягає КУД, у результаті виникає спонтанне збудження, після якого мембранний потенціал відновлюється до вихідного рівня, а потім цикл повторюється. Ця властивість одержала назву автоматії. Однак для збудження більшості збудливих клітин потрібна наявність зовнішнього (по відношенню до цих клітин) подразника.