Мембранні потенціали
У 1786 році професор анатомії Болонського університету Луїджі Гальвані провів ряд дослідів, які започаткували цілеспрямовані дослідження в галузі біоелектричних явищ. У першому досвіді він підвішував препарат оголених лапок жаби за допомогою мідного гачка на залізних гратах, і виявив, що при кожному торканні м'язами грати вони скорочувалися. Гальвані припустив, що скорочення м'язів взагалі - наслідок впливу на них "тварини електрики", джерелом якого є нерви і м'язи. Однак, на думку Вольта, причиною скорочення був електричний струм, який виник у сфері контакту різнорідних металів. Гальвані поставив другий досвід, у якому джерелом струму, що діяв на м'яз, точно був нерв: м'яз знову скорочувався. Таким чином, було отримано точний доказ існування «тварини електрики».
Всі клітини мають свій електричний заряд, який формується внаслідок неоднакової проникності мембрани для різних іонів. Клітини збудливих тканин (нервова, м'язова, залізиста) відрізняються тим, що вони під дією подразника змінюють проникність своєї мембрани для іонів, внаслідок чого іони дуже швидко транспортуються згідно з електрохімічним градієнтом. Це і є процесом збудження. Його основою є потенціал спокою.
Потенціал спокою – відносно стабільна різниця електричних потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами клітинної мембрани. Його величина зазвичай варіює в межах від -30 до -90 мВ. Внутрішня сторона мембрани у спокої заряджена негативно, а зовнішня – позитивно через різні концентрації катіонів і аніонів всередині і поза клітини.
Внутрішньо- та позаклітинні концентрації іонів (ммоль/л) у м'язових клітинах теплокровнихтварин
У нервових клітинах схожа картина. Таким чином, видно, що основну роль у створенні негативного заряду всередині клітини грають іони K+ та високомолекулярні внутрішньоклітинні аніони, головним чином вони представлені білковими молекулами з негативно зарядженими амінокислотами (глутамат, аспартат) та органічними фосфатами. Ці аніони, зазвичай, що неспроможні транспортуватися через мембрану, створюючи постійний негативний внутрішньоклітинний заряд. У всіх точках клітини негативний заряд практично однаковий. Заряд усередині клітини є негативним як абсолютно (у цитоплазмі аніонів більше, ніж катіонів), і щодо зовнішньої поверхні клітинної мембрани. Абсолютна різниця невелика, проте цього достатньо створення електричного градієнта.
Головним іоном, що забезпечує формування потенціалу спокою (ПП), є K+. У клітці, що покоїться, встановлюється динамічна рівновага між числом вхідних і виходять іонів K + . Ця рівновага встановлюється тоді, коли електричний градієнт врівноважує концентраційний. Згідно з концентраційним градієнтом, створюваним іонними насосами, K + прагне вийти з клітини, проте негативний заряд усередині клітини і позитивний заряд зовнішньої поверхні клітинної мембрани перешкоджають цьому (електричний градієнт). У разі рівноваги на клітинній мембрані встановлюється рівноважний потенціал калію.
Рівноважний потенціал для кожного іона можна розрахувати за формулою Нернста:
де Eion – потенціал, створюваний даним іоном;
R – універсальна постійна газова;
Т - абсолютна температура (273 +37 ° С);
Z – валентність іона;
F - Постійна Фарадея (9,65 · 10 4);
[ion]o – концентрація іона у зовнішньому середовищі;
[ion] i -концентрація іона усередині клітини.
При температурі 37°С рівноважний потенціал K + дорівнює -97мВ. Проте реальний ПП менший – близько -90 мВ. Це тим, що у формування ПП свій внесок роблять й інші іони. У цілому нині ПП – це алгебраїчна сума рівноважних потенціалів всіх іонів, що усередині і поза клітини, куди входять також значення поверхневих зарядів самої клітинної мембрани.
Вклад Na + і Cl - у створення ПП невеликий, проте він має місце. У спокої вхід Na + у клітину низький (набагато нижчий, ніж K + ), але зменшує мембранний потенціал. Вплив Cl - протилежний, оскільки це аніон. Негативний внутрішньоклітинний заряд не дозволяє великій кількості Cl - проникнути в клітину, тому Cl - це переважно позаклітинний аніон. Як всередині клітини, так і поза нею Na + і Cl - нейтралізують один одного, внаслідок чого їх спільне надходження в клітину не суттєво впливає на величину ПП.
Зовнішня та внутрішня сторони мембрани несуть у собі власні електричні заряди, переважно з негативним знаком. Це полярні складові мембранних молекул – гліколіпідів, фосфоліпідів, глікопротеїнів. Ca 2+ , як позаклітинний катіон, взаємодіє із зовнішніми фіксованими негативними зарядами, а також з негативними карбоксильними групами інтерстицію, нейтралізуючи їх, що призводить до збільшення та стабілізації ПП.
Для створення та підтримки електрохімічних градієнтів потрібна постійна робота іонних насосів. Іонний насос – це транспортна система, що забезпечує перенесення іона всупереч електрохімічному градієнту, із безпосередніми витратами енергії. Градієнти Na+ та K+ підтримуються за допомогою Na/K – насоса. Сполученість транспорту Na + і K + приблизно вдвічі зменшує енерговитрати. В ціломуА витрати енергії на активний транспорт величезні: лише Na/K - насос споживає близько 1/3 всієї енергії, що витрачається організмом у спокої. 1АТФ забезпечує один цикл роботи - перенесення 3Na + з клітини, і 2 K + в клітину. Асиметричне перенесення іонів сприяє заодно формуванню та електричного градієнта (приблизно 5 – 10мВ).
Нормальна величина ПП є необхідною умовою виникнення порушення клітини, тобто. поширення потенціалу дії, що ініціює специфічну діяльність клітини.
Потенціал дії (ПД)
ПД – це електрофізіологічний процес, що виявляється у швидкому коливанні мембранного потенціалу, внаслідок специфічного переміщення іонів і здатний поширюватися без декременту великі відстані. Амплітуда ПД коливається не більше 80 – 130 мВ, тривалість піку ПД у нервовому волокні – 0,5 – 1 мс. Амплітуда потенціалу дії залежить від сили подразника. ПД або зовсім не виникає, якщо роздратування підпорогове, або досягає максимальної величини, якщо роздратування порогове або надпорогове. Головним у виникненні ПД є швидкий транспорт Na + всередину клітини, що спочатку сприяє зниженню мембранного потенціалу, та був – зміні негативного заряду всередині клітини на позитивний.
У складі ПД розрізняють 3 фази: деполяризацію, інверсію, і реполяризацію.
1. Фаза деполяризації. При дії на клітину подразника, що деполяризує, початкова часткова деполяризація відбувається без зміни її проникності для іонів (не відбувається рух Na + всередину клітини, тому що закриті швидкі потенціалчутливі канали для Na + ). Na + - канали мають регульований комірний механізм, який розташований на внутрішній і зовнішній сторонах мембрани. Є активаційні ворота (m –ворота) та інактиваційні (h – ворота). У спокої m – ворота зачинені, а h – ворота відчинені. У мембрані також є K + - канали, що мають лише одні ворота (активаційні), закриті у спокої.
Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (Екр - критичний рівень деполяризації, КУД), яка зазвичай дорівнює 50мВ, проникність для Na + різко зростає - відкривається велика кількість потенціалзалежних m - воріт Na + - каналів. За 1 мс через 1 відкритий Na + - канал у клітину потрапляє до 6000 іонів. Деполяризація мембрани, що розвивається, викликає додаткове збільшення її проникності для Na + , відкриваються все нові і нові m - ворота Na + - канали, так що струм Na + має характер регенеративного процесу (сам себе посилює). Як тільки ПП стає рівним нулю, фаза деполяризації закінчується.
2.Фаза інверсії.Вхід Na + в клітину триває, тому що m - ворота Na + - канали ще відкриті, тому всередині клітини заряд стає позитивним, а зовні - негативним. Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na + в клітину, однак, через те, що концентраційний градієнт сильніший за електричний, Na + все ж таки проходить в клітину. У той момент, коли ПД досягає максимального значення, відбувається закриття h - воріт Na + - каналів (ці ворота чутливі до величини позитивного заряду в клітині) і надходження Na + в клітину припиняється. Одночасно відкриваються ворота K+-каналів. K + транспортується з клітини згідно з хімічним градієнтом (на низхідній фазі інверсії – ще й електричним градієнтом). Вихід позитивних зарядів із клітини призводить до зменшення її заряду. K+ з невеликою швидкістю може виходити з клітини також через некеровані K+-канали, які завжди відкриті. Всі розглянуті процеси єрегенеративними. Амплітуда ПД складається з величини ПП та величини фази інверсії. Фаза інверсії закінчується, коли електричний потенціал знову стає нульовим.
3.Фаза реполяризації.Пов'язана з тим, що проникність мембрани для K+ ще висока, і він виходить із клітини по градієнту концентрації, незважаючи на протидію електричного градієнта (клітина всередині знову має негативний заряд). Виходом K+ обумовлена вся низхідна частина піку ПД. Нерідко наприкінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, хто пов'язаний із закриттям значної частини воріт K+-каналів, а також – зі зростанням протилежно спрямованого електричного градієнта.