Обчислення дифузійного потенціалу
Коли мембрана проникнадля кількох різних іонів, сумарний дифузійний потенціал залежить від трьох факторів: полярності електричного заряду кожного іона; (2) проникність мембрани (Р) для кожного іона; (3) концентрацій (С) відповідних іонів усередині (i) та зовні мембрани (о). Формула, яку називають рівнянням Гол'дмана, або рівнянням Гольдмана-Ходжкін-Катца, дозволяє розрахувати мембранний потенціал на внутрішній стороні мембрани, якщо вона проникна для 2 одновалентних позитивних іонів (Na + і К +) і 1 одновалентного негативного іона Сl-. ЕРС (мВ) = -61 log (CNaiPNa+CKi+Pk+Ccli+Pcl)/(CNa0PNa+CK0+Pk+Ccl0+Pcl).
Розглянемо це рівняння.По-перше, іони натрію, калію та хлору - найважливіші іони, що беруть участь у генерації мембранних потенціалів нервових та м'язових волокон, а також у нейронах нервової системи. Градієнт концентрації кожного з цих іонів з обох боків мембрани допомагає визначити величину мембранного потенціалу.
По-друге, ступінь вкладу кожного з цих іонів у величину мембранного потенціалу пропорційна проникності мембрани для цього іона. Так, якщо мембрана має нульову проникність для іонів калію та хлору, мембранний потенціал повністю визначається лише градієнтом концентрації іонів натрію, і результуючий потенціал дорівнює потенціалу Нернста для натрію. Це справедливо для будь-якого з двох інших іонів, якщо мембрана вибірково проникна лише одному з них.
По-третє, градієнт концентрації позитивного іона, спрямований зсередини назовні, веде до появи негативного заряду всередині клітини. Це пов'язано з тим, що при більш високій концентрації позитивних іонів з внутрішньої сторони мембрани порівняно із зовнішньою стороною їх надлишок дифундує назовні. ПриПри цьому позитивні заряди виходять назовні, а не здатні до дифузії аніони залишаються всередині клітини, створюючи електронегативність з внутрішньої сторони мембрани. Якщо існує градієнт негативно зарядженого аніону, виникає протилежний ефект. Наприклад, надлишок аніонів хлору зовні веде до появи негативного заряду всередині клітини, оскільки негативно заряджені іони хлору дифундують внутрішньо клітини, залишаючи зовні не здатні до дифузії позитивні іони.
По-четверте, проникність натрієвих і калієвих каналів піддається швидким змінам під час передачі нервових імпульсів, тоді як проникність хлорних каналів під час цього процесу істотно не змінюється. Отже, за передачу сигналів у нервових волокнах відповідальні головним чином швидкі зміни натрієвої та калієвої проникності.
Вимірювання мембранного потенціалу клітини
Метод вимірювання мембранного потенціалутеоретично простий, проте його здійснення на практиці часто буває складним із-за малого розміру більшості волокон. Клітинну мембрану проколюють наскрізь піпеткою та вводять її всередину волокна. Інший електрод, званий індиферентним, розташовують у позаклітинній рідині, і за допомогою відповідного вольтметра вимірюють різницю потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. Вольтметр є дуже складним електронним пристроєм, який дозволяє вимірювати дуже малі напруги, незважаючи на надзвичайно високий опір електричному струму кінчика мікропіпетки, діаметр якого - менше 1 мкм, а опір - більше 1 млн Ом. Для реєстрації швидких змін мембранного потенціалу під час передачі нервових імпульсів мікроелектрод з'єднують з осцилоскопом.
Нижня частина малюнкадемонструєвеличину електричного потенціалу, що вимірюється в будь-якій точці всередині нервового волокна або біля його мембрани (на малюнку зліва направо). Поки електрод знаходиться зовні мембрани нервового волокна, реєструється нульовий потенціал, який відповідає потенціалу позаклітинної рідини. Потім при проходженні електрода, що реєструє, через зону зміни напруги на клітинній мембрані (так званий електричний дипольний шари) потенціал різко знижується до -90 мВ. Під час руху електрода через центр волокна величина потенціалу залишається на постійному рівні -90 мВ, проте повертається нанівець у момент проходження електрода через мембрану на протилежний бік волокна.
Щоб зарядити мембрану негативно зсередини, потрібно транспортувати назовні позитивні іони в кількості, достатньому лише для розвитку електричного дипольного шару на самій мембрані. Решта іони всередині нервового волокна може бути і позитивними, і негативними. Отже, встановлення нормального потенціалу спокою величиною -90 мВ всередині нервового волокна через мембрану має перейти дуже невелика кількість іонів, тобто. близько 1/3000000 - 1/100000000 загальної кількості позитивних зарядів усередині волокна. Відповідно, переміщення так само невеликого числа позитивних іонів зовні всередину волокна може забезпечити зміну (реверсію) потенціалу від -90 мВ до +35 мВ менш ніж за 1/10000 сек.