ГЛАВА 4 ІОННІ МЕХАНІЗМИ ФОРМУВАННЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦІАЛУ І ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ
МЕМБРАННИЙ ПОТЕНЦІАЛ
У спокої плазматична мембрана відносно легко проникна іонів калію. В результаті перенесення К+ на зовнішній стороні мембрани накопичуватиметься позитивний заряд. Відповідно, внутрішня сторона стає більш електронегативною. Це можливо внаслідок того, що органічні аніони, які в нормі врівноважують іони калію для збереження загальної електронейтральності всередині клітини, нездатні вільно переміщатися через мембрану. Таким чином, нерівномірний розподіл (поділ) зарядів з різних боків від мембрани веде до появи різниці потенціалів (рис. 29). Чим більше іонів калію залишить клітину під дією концентраційного градієнта, тим більш вираженим стане поділ зарядів і тим більшою буде різниця потенціалів.
Від'ємний заряд, що створюється на внутрішній стороні мембрани, перешкоджає (різноіменні заряди притягуються один до одного) подальшому виходу ^ з клітини по градієнту концентрації, тобто дія електричних сил врівноважує дію хімічних сил. В результаті встановлюється стан рівноваги, при якому кількість іонів калію, що залишають клітину за концентраційним градієнтом, дорівнює їх кількості, що надходить до клітини за рахунок сил електростатичного тяжіння.
Значення мембранного потенціалу, що спостерігається, в гігантському волокні становить -60 мВ, що досить близько до теоретично розрахованого. Відмінності обумовлені деякою проникністю клітинної мембрани та інших (крім До+) іонів, передусім №+. Внаслідок надходження невеликих кількостей позитивно заряджених іонів натрію всередину клітини частина негативного заряду на внутрішній стороні мембрани знищується і величина мембранного потенціалу знижується.
Зазначені відхилення враховані врівняння Гольдмана, заснованому на припущенні, що всередині мембрани градієнт потенціалу та напруженість електричного поля постійні:
_ _ RT n PK [К+]n + PNa [Na+]а + рс, [Cl-](
m F РК [К+], + PNa[Na+]. + Pci [Cl-] o'
У рівнянні враховані концентрації трьох основних іонів малого радіусу та відносні проникності (Р) їм.
А. Ходжкін і Б. Катц (A. L. Hodgkin, B. Katz, 1949) встановили, що PK: PNa: PCl співвідносяться як 1: 0,04: 0,45.
Таким чином, мембранний потенціал у першому наближенні визначається градієнтом концентрації іонів калію. Відповідно до рівняння Нернста, мембранний потенціал змінюється обернено пропорційно до позаклітинної концентрації калію - з її збільшенням клітина зазнає сильної деполяризації (рис. 30). Збільшення [К+]о спостерігається при посиленій електричній активності нейронів і здатне викликати значні зміни збудливості клітин, що оточують осередок активності.
Оцінки проникності показали, що іони хлору також здатні легко перетинати плазмалемму. Проте вони не роблять істотного вкладу в мембранний потенціал. Поза- та внутрішньоклітинні концентрації калію та хлору співвідносяться протилежним чином: [СГ]/[СГ]0 = 1/16, a [K+]/[K+]0 = 20. Розрахований рівноважний потенціал для хлору (Ес1) становить близько -75 мВ, тобто відповідає ЕК. В результаті створюється взаємно протилежний розподіл K+ та Cl – по різні боки мембрани. Однак на розподіл іонів хлору не накладається жодних просторових обмежень. Вони легко переміщаються в клітину або клітини і розподіляються відповідно до мембранного потенціалу, заданого K+. Останній перешкоджає проникненню всередину клітини негативно заряджених іонів хлору, які прагнуть клітини у напрямку концентраційного.градієнта.
Фіксовані аніони всередині клітини не можуть перетнути плазмалему слідом за іонами калію, що врівноважують. В результаті концентрація K+ підтримується відносно постійної клітини всередині.
Таким чином, градієнт концентрації іонів хлору підлаштовується під градієнт іонів калію та є зворотним останньому.
Створення потенціалу на мембрані клітини не є іманентною властивістю живих організмів. Різниці потенціалів можна досягти, розділивши розчини солі різної концентрації мембраною, що має неоднакову проникність для аніону та катіону, на які дисоціює сіль. Доннанівська рівновага, що виникає при цьому, характеризує нерівномірний розподіл дифундують іонів і наявність результуючого заряду. Не варто забувати, що вихідна різниця поза-і внутрішньоклітинної концентрації Na+ і K+ у «живій» клітині створюється, в результаті, виключно завдяки постійній роботі Na+-K+-АТФази.
ПОТЕНЦІАЛ ДІЇ
Усунення мембранного потенціалу на величину близько 15 мВ, тобто до рівня -50 + -45 мВ, у бік позитивних значень, призводить до розвитку потенціалу дії в збудливих тканинах (нервової, м'язової та залізистої). К. Коул та Х. Кертіс (K. Cole, H. Curtis, 1939) вперше показали, що його генерація пов'язана з різким збільшенням іонної проникності мембрани. При цьому опір мембрани зменшується в 40 разів, а ємність змінюється лише на 2%.
Як встановили А. Ходжкін і Б. Катц (A. L. Hodgkin, B. ^tz, 1949), в ході потенціалу дії на короткий момент часу внутрішня поверхня мембрани стає позитивно зарядженою по відношенню до зовнішнього середовища (інверсія потенціалу). На піку розвитку потенціалу дії значення мембранного потенціалу досягає рівня +50 мВ і вище. Єдиний іон,рівноважний потенціал якого має вищу позитивне значення, - це натрій. Для гігантського аксона кальмара ENa дорівнює +55 мВ за 18 оС.
Початкове збільшення проникності мембрани для іонів натрію призводить до надходження всередину клітини невеликих їх кількостей і деполяризації мембрани, яка ще більше підвищує натрієву проникність. В результаті зміна потенціалу має регенеративний характер. Інверсія мембранного потенціалу короткочасна. Деполяризація, що наростає, рано чи пізно «вимикає» підвищену проникність для іонів натрію (інактивація натрію). Паралельно з цим, щоправда з деяким запізненням, деполяризація викликає збільшення проникності калію (затримане випрямлення). Саме воно визначає нелінійність вольт-амперної характеристики мембрани під час деполяризації (див. рис. 24). В результаті мембранний потенціал повертається до початкового рівня.
Розвиток потенціалу дії не потребує вироблення енергії. Рас-
рахунки показують, що при кожному імпульсі через 1 см2 мембрани гі-
гантського аксона проходить по 3-4-10 моль Na і K. Це еквівалентно тому, що клітину залишає лише один із 10 млн внутрішньоклітинних К+. Зазначена структура здатна генерувати до півмільйона імпульсів без перезаряджання своєї трансмембранної батареї (кілька годин роботи).
Клітина запасає потенційну енергію у вигляді мембранного потенціалу завдяки роботі Ыа+-К+-ЛТФази. Її активність забезпечує постійне заряджання мембранної батареї. На коротких інтервалах часу мембранний потенціал та потенціал дії не залежать від роботи Ыа+-К+-насоса. Однак при блокуванні Ыа+-К+-ЛТФази витік іонів призводить до того, що клітина, навіть у стані спокою, поступово втрачає К+ та накопичує Na+. Як наслідок,мембранний потенціал поступово знижується нанівець.
ІОННІ СТРУМИ ПРИ РОЗВИТКУ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ
Важливу роль реєстрації мембранних струмів зіграла запропонована К. Коулом (K. S. Cole, 1939) методика фіксації потенціалу. Її суть полягає в тому, що вона дозволяє швидко зрушувати мембранний потенціал до будь-якого бажаного рівня та утримувати (фіксувати) його на цьому рівні як завгодно довго.
При фіксації потенціалу стало можливим виміряти трансмембранний струм з гарною тимчасовою роздільною здатністю, а також окремо виміряти струм, що йде через опір. За рахунок швидкої та повної зарядки мембранної ємності мембранний струм стає просто функцією мембранної провідності та напруги: Im = Gm • AVm та дозволяє оцінити зміни загальної іонної провідності, а отже, і специфічних іонних провідностей при зміні мембранного потенціалу. Крім цього, при фіксації напруги запобігають вторинні зміни мембранного потенціалу (затримане випрямлення).
Ступінчасте зрушення мембранного потенціалу від вихідного рівня до +60 мВ призводить до появи трансмембранного комплексного струму. За короткочасним ємнісним струмом слідує двофазний іонний струм, спочатку вхідний, а потім після 2 мс - що виходить. Чим більша вихідна сходинка деполяризуючого струму, тобто чим сильніша напруга на мембрані «відводиться» від рівня потенціалу спокою, тим нижче амплітуда раннього вхідного струму і тим вище амплітуда затриманого вихідного струму. При зрушеннях мембранного потенціалу рівня +50-60 мВ ранній вхідний струм стає рівним нулю, при ще більших зрушеннях - змінює напрямок свого руху на протилежне, т. е. стає выходящим. Затриманий вихідний струм зменшується тільки у разі гіперполяризаційного зсуву мембранного потенціалу та прийого рівні -80 мВ (потенціал інверсії) змінює свій напрямок. Характер та динаміка даних струмів представлені на рис. 31.
Результати експериментів було пояснено в такий спосіб. Вхідний струм спостерігається внаслідок збільшення натрієвої проникності при деполяризації та обумовлений рухом Ка всередину клітини. Очевидно, що в цьому випадку його потенціал інверсії має співпадати з рівноважним потенціалом для натрію (+55 мВ), що спостерігалося. Аналогічні міркування, застосовні до затриманого струму, дозволили асоціювати його з рухом К .
Існує кілька способів поділу описаних вище струмів. Так, заміна натрію в зовнішньому розчині на холін (катіон, не здатний проникати всередину гігантського аксона кальмара) призводить до зникнення вхідного струму при деполяризації, залишаючи тільки струм, що виходить, обумовлений іонами калію. Віднімаючи значення вихідного струму, що залишився, із загального значення трансмембранного струму, можна визначити натрієву компоненту струму.
Однак, найкращі результати досягаються при використанні специфічних блокаторів іонних каналів (рис. 32).
Тетродотоксин (ТТХ) здатний вибірково блокувати потенціал-чутливі Ка-канали, дозволяючи виявити тимчасовий перебіг калієвих струмів. Навпаки, тетраетиламоній (ТЕА) вибірково блокує К+-канали затриманого випрямлення та його використання дозволяє простежити за перебігом натрієвих струмів при розвитку потенціалу дії