5.8. Пейсмекерные потенциалы

 

Взаимодействия между различными системами, обусловливающими ионные токи, могут приводить к колебаниям мембранного потенциала. Если эти колебания регулярны, медленны и вызывают появление ПД, то их называют пейсмекерными потенциалами. Какой–либо единой последовательности событий, приводящих к появлению всех разновидностей пейсмекерных потенциалов, не существует, однако показано, что в их возникновении играют определенную роль медленно активирующиеся и инактивирующиеся входящие кальциевые и(или) натриевые токи, а также Са^2 +–зависимые калиевые токи. Лучше всего изучены пейсмекерные потенциалы, возникающие в миоцитах сердца позвоночных (разд. 10.9) и в некоторых нейронах моллюсков. Показано, что в обоих случаях пейсмекерная активность является самопроизвольной и не зависит от каких–либо внешних сигналов или воздействий.

У улиток и других брюхоногих моллюсков имеются особые «пачечно–пейсмекерные» нейроны, которые через каждые несколько секунд разряжаются сериями («пачками») импульсов. Каждая такая серия возникает на гребне спонтанного пейсмекерного потенциала. Этот потенциал обусловлен последовательностью ионных механизмов, приведенной на рис. 5–37. Во время деполяризации активируются кальциевые каналы, ионы Са²⁺ проникают через них в клетку и накапливаются в ней. По мере накопления эти ионы активируют кальцийзависимые калиевые каналы и инактивируют кальциевые каналы (см. выше). И то и другое способствует реполяризации мембраны, т. е. приближению мембранного потенциала к Е_к. В свою очередь под влиянием реполяризации кальциевые каналы закрываются, вход ионов Са²⁺ прекращается, а накопившиеся в клетке свободные ионы кальция постепенно удаляются из цитозоля с помощью «кальциевых буферов». По мере удаления этих ионов снижается   проницаемость   для   калия,   обусловленная кальцийзависимыми каналами, а инактивация кальциевых каналов, развившаяся под действием высокой   концентрации   Са^2 + ,   напротив,   постепенно уменьшается. Оба этих механизма способствуют деполяризации мембраны, под действием которой в свою очередь постепенно активируются потенциалзависимые натриевые и кальциевые каналы. По этим каналам в клетку проникают ионы Са²⁺ и Na⁺, мембрана деполяризуется еще больше до тех пор, пока не возникнет пейсмекерный потенциал. Этот медленный деполяризующий потенциал запускает последовательность быстрых ПД, во время которых в нейрон входит дополнительное количество Na⁺ и Са^2 + . По мере накопления ионов Са²⁺ вновь подавляется кальциевый ток, начинает течь кальцийзависимый калиевый ток, и вся последовательность событий повторяется снова. На накопление свободных ионов кальция у внутренней поверхности клеточной мембраны и удаление этих ионов требуется определенное время, и именно этим определяются те периодические процессы, которые лежат в основе колебаний деполяризации и реполяризации.

 

 

Дополнение 5–1. Разделение зарядов по разные стороны мембраны

 

Для того чтобы мембранный потенциал стал равным Е_к, через каждый квадратный сантиметр мембраны (см. рис. 5–11) должно продиффундировать лишь очень небольшое число ионов. Для системы, в которой через мембрану проходит только один какой–либо ион, найти это число не составляет труда. Избыточное количество ионов калия, накапливающихся в отсеке II (а также соответственно избыточное количество ионов хлора, остающихся в отсеке I), зависит от: 1) равновесного калиевого потенциала; 2) емкости мембраны. Электрический заряд Q (в кулонах), накапливающийся на обкладках конденсатора, пропорционален емкости конденсатора С (в фарадах) и напряжению на его обкладках V (в вольтах). Емкость биологических мембран обычно составляет порядка 1 мкФ (10^–6 Ф) на 1 см². Отсюда можно найти общий заряд ионов, диффундирующих через каждый квадратный сантиметр мембраны в том случае, если эта мембрана разделяет два раствора диффундирующего одновалентного катиона, причем концентрация одного раствора в 10 раз больше, чем другого (при этом равновесная разность потенциалов составляет 58 мВ):

 

Q = CV = 10^–6 Ф/см² · 5,8·10^–2 В = 5,8 ·10^–8 Кл/см².

 

Один грамм–эквивалент (или 1 моль) моновалентного иона несет электрический заряд F = 96 500 Кл. Значит, количество К⁺ (в молях), необходимое для переноса через 1 см² мембраны заряда в 5,8  х 10 ^–8 Кл, можно рассчитать, разделив этот заряд на F:

 

5,8 ·10^–8 Кл/см² / 9,65·10⁴ Кл / моль К⁺  = 6·10^–13моль К⁺ /см²

 

Для того чтобы определить, какое количество ионов калия накапливается в отсеке II (см. рис. 5–11), надо умножить полученную величину на число Авогадро (6·10²³ молекула · моль^–1):

 

(6·10^–13)(6·10²³) = 3,6– 10¹¹ К⁺/см².

 

Такое же количество ионов хлора останется в избытке в отсеке I. Это более чем в 10 миллионов раз меньше, чем число ионов калия в 1см³ раствора II (6·10¹⁸ иона). Значит, разделение зарядов по разные стороны мембраны практически не влияет на концентрацию растворов I иII. Поэтому, даже несмотря на то что мембрана в какой–то степени отделяет катионы от анионов, такое разделение существует лишь на микроскопическом уровне, соизмеримом с толщиной клеточных оболочек (см. рис. 5–6). В макроскопических же масштабах правило электронейтральности, согласно которому число положительных и отрицательных зарядов должно быть равно, фактически не нарушается.

 

Дополнение 5–2. Вывод уравнения Нернста

 

Уравнение Нернста – это одно из наиболее часто используемых в физиологии математических соотношений. Оно имеет важнейшее значение для понимания биоэлектрических явлений. Вывод этого уравнения основан на том, что работа по преодолению осмотических сил, затрачиваемая на перенос через мембрану в каком–либо направлении определенного количества ионов, равна работе по преодолению электрических сил, затрачиваемой на транспорт эквивалентного количества зарядов через мембрану в обратном направлении. Работу по преодолению осмотических сил, необходимую для переноса 1 моль–эквивалента иона X из раствора с концентрацией [X]_I в раствор с большей в 10 раз концентрацией, [Х]_II, можно найти из уравнения состояния идеального газа:

 

W= RTln [X]_I / [Х]_II                                                                (1)

где  W – механическая (или осмотическая) работа, равная произведению силы на расстояние.

Иными словами, если мембрана разделяет два раствора одинаковой концентрации, содержащие вместе 1 моль иона X, то для того, чтобы в результате переноса этого иона через мембрану концентрации растворов по разные стороны мембраны стали различаться в е раз, требуется совершить работу W, определяемую уравнением (1). Если же мембрана проницаема для этого иона, то он будет диффундировать обратно в раствор с более низкой концентрацией до тех пор, пока не создастся равновесный потенциал, в точности компенсирующий это стремление иона X к обратной диффузии. Зная это, мы можем приравнять работу, необходимую для преодоления осмотических сил, работе, затрачиваемой на противодействие электрическим силам:

 

W=EFZ,                                                                     (2)

 

где Е– разность потенциалов, F– постоянная Фарадея (равная заряду одного моля одновалентного иона), Z – валентность иона. Подставляя уравнение (2) в уравнение (1), получаем

 EFZ = RTln [X]_I / [Х]_II,

 

или

E = RT / FZ ln [X]_I / [Х]_II.

 

Это и есть уравнение Нернста в общем виде.

 

Дополнение 5–3. Метод фиксации потенциала

 

Для изучения потенциалзависимых мембранных каналов оказался очень полезным метод фиксации потенциала. Он заключается в том, что разность потенциалов по разные стороны мембраны фиксируют на определенном уровне с помощью электронной системы с обратной связью. При этом мембранный потенциал можно ступенчато изменять на строго определенную величину. Такой метод позволяет измерять ионные токи, протекающие сквозь мембрану через каналы, которые активируются при изменении потенциала. В соответствии с законом Ома (дополнение 2–1), если напряжение на мембране постоянно, изменения тока однозначно связаны с изменениями проводимости. В свою очередь изменения мембранной проводимости связаны с открыванием и закрыванием ионных каналов. Таким образом, мы можем фиксировать мембранный потенциал на разном уровне и измерять возникающие при этом токи. Если же вдобавок использовать растворы с различным ионным составом и препараты, избирательно блокирующие тот или иной канал, то можно будет изучать поведение различных ионных каналов, через которые протекают измеряемые нами токи.

Технически фиксация потенциала осуществляется следующим образом. При помощи усилителя–регулятора внутриклеточный потенциал сравнивают с управляющим потенциалом (см. рисунок). Любое отклонение мембранного потенциала от управляющего усиливается, и на выходе усилителя возникает управляющий ток. Этот ток течет через электроды, расположенные по разные стороны мембраны, в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным управляющему. Такое автоматическое согласование происходит за долю миллисекунды после того, как задается ступенчатый управляющий потенциал. Когда в ответ на такую ступенчатую деполяризацию открываются натриевые (или какие–либо другие) каналы, соответствующие ионы входят в аксон по электрохимическому градиенту и переносят с собой электрические заряды. Эти входящие заряды стремятся сдвинуть мембранный потенциал в положительном направлении, однако малейшее отклонение от управляющего потенциала немедленно компенсируется в результате удаления из клетки избыточных зарядов с помощью усилителя–регулятора. При этом записывается тот ток, который подается усилителем для поддержания мембранного потенциала на необходимом уровне, и этот ток, разумеется, в точности равен ионному току, протекающему через мембрану.

 

Схема фиксации напряжения в опытах на аксоне кальмара. С помощью усилителя–регулятора сравнивается мембранный потенциал V_M с управляющим потенциалом.  Если на выходе усилителя появляется ненулевая разность потенциалов, к клетке подводится ток, под действием которого V_M вновь становится равным управляющему потенциалу. Этот ток I_М зависит от изменений ионной  проницаемости мембраны.

 

 

 

 

 

Дополнение 5–4. Вольт– амперные характеристики

Если построить график зависимости натриевого тока (на рис. А это I_Na) от напряжения стимула, то мы получим так называемую вольт – амперную характеристику (рис. Б), типичную для регенеративных токов электровозбудимых мембран. Чтобы построить такую характеристику, на мембрану подают ступеньки напряжения, в результате чего потенциал каждый раз скачкообразно изменяется от исходного значения (V_n) до нового уровня (V_м). При этом измеряют амплитуду тока, возникающего при каждом таком сдвиге потенциала, а затем строят график зависимости этой амплитуды от V_M.

 

При отрицательных сдвигах потенциала и небольших положительных сдвигах вольт–амперная характеристика представляет собой прямую, совпадающую с осью ординат (рис. Б): при этих значениях потенциала натриевые каналы не активируются. При более положительных значениях потенциала на вольт–  амперной характеристике появляется нисходящая (отрицательная) ветвь: это означает, что сдвиг потенциала в положительную сторону приводит к увеличению входящего тока.

Отрицательное колено на вольт–амперной характеристике для натриевого тока (рис. Б) обусловлено открыванием все новых натриевых каналов при увеличении степени деполяризации. Такое поведение натриевых каналов иллюстрирует рис. В. где приведена характерная S–образная кривая зависимости натриевой проводимости от мембранного потенциала. При таком потенциале, когда активация каналов достигает максимума, натриевый ток, входящий в клетку, также становится наибольшим (на рис. Б точка минимума кривой). При еще более положительных потенциалах натриевый ток начинает снижаться, поскольку при увеличении степени деполяризации линейно уменьшается действующая на ионы Na⁺ ЭДС (т.е. V_M — E_Na). а новые каналы уже не открываются. Когда V_M становится равным E_Na натриевый ток прекращается, а вольт–амперная характеристика пересекается с осью ординат.