5.4. Потенциал покоя

 

Каждая клетка в невозбужденном состоянии (т.е. в состоянии покоя) характеризуется наличием трансмембранной разности потенциалов. Обычно этот  так называемый потенциал покоя составляет от – 30 до –100 мВ, хотя у некоторых клеток он может быть и ниже. Его величина зависит от типа клетки и ионного состава окружающей среды. В создании потенциала покоя участвуют два фактора. Первый из них – это неравномерное распределение неорганических ионов между клеточным содержимым и наружной средой. Такое распределение обусловлено активным транспортом ионов с помощью мембранных насосов (разд. 4.6) и доннановским равновесием (разд. 4.3.6). Второй фактор – это наличие в клеточной мембране ионных каналов, пропускающих лишь некоторые из присутствующих в клетке и окружающей среде ионов. Мы уже знаем, что неравномерное распределение ионов порождает химическую движущую силу, под действием которой в свою очередь устанавливается равновесный потенциал. Как мы увидим, именно эти механизмы ответственны за наличие потенциала покоя. Выше мы рассмотрели понятие равновесного потенциала на примере упрощенной «идеальной» системы, в которой через мембрану мог диффундировать только один ион. Теперь мы рассмотрим с этих позиций биологические оболочки, которые в отличие от нашей воображаемой мембраны пропускают в той ил иной степени все неорганические ионы и поэтому представляют собой более сложные системы.

 

5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов

 

Как мы убедились, электрохимический градиент для того или иного иона не влияет на мембранный потенциал, если этот ион неспособен проникать через мембрану: недиффундирующие ионы не могут переносить заряды с одной стороны мембраны на другую. Значит, если мембрана лишь слабо проницаема для какого–либо иона, то он будет оказывать меньшее влияние на мембранный потенциал, чем легко диффундирующий ион. Именно относительная способность различных ионов к диффузии через мембрану определяет их вклад в потенциал, возникающий благодаря этой диффузии. Имея в виду это положение, а также приняв упрощенное (и в определенной степени некорректное) допущение о том, что падение потенциала при переходе от одной поверхности мембраны к другой происходит равномерно т. е. с постоянным градиентом, Дейвид Е. Голдман в 1943 г. вывел уравнение мембранного потенциала, основанное на уравнении Нернста и учитывающее относительную проницаемость мембраны для всех диффундирующих ионов:

 

 

V_M  = RT / F  ln  P_K[К ⁺₀  + P_Na Na⁺₀  + P_Cl Cl¯]_i  / P_K[К ⁺_i  + P_Na Na⁺_i  + P_Cl Cl¯]₀   (5–7)

 

 

Здесь  и P_K, P_Na  и P_Cl – проницаемости для основных ионов, присутствующих во внутри– и внеклеточной средах.

Таким образом, в соответствии c уравнением (5–7) вероятность диффузии данного иона через мембрану пропорциональна произведению концентрации (точнее – термодинамической активности) этого иона и проницаемости мембраны для него. Поэтому вклад каждого иона в мембранный потенциал будет тем меньше, чем меньше его концентрация.

 

 

Рис. 5.13. Зависимость потенциала покоя мышечной клетки лягушки от концентрации К⁺ во внеклеточной среде. В соответствии с уравнением Нернста десятикратное увеличение отношения [К⁺]₀/[К⁺]_i должно сопровождаться снижением абсолютного значения потенциала покоя на 58 мВ. Этой теоретической зависимости соответствует на рисунке прямая линия. На график нанесены также экспериментальные точки. Вторая приведенная на рисунке зависимость, не являющаяся линейной, получена исходя из уравнения (5–7) приP_Na = 0,01 Р_к· [К⁺]_i принято равным 140 мМ. (Hodgkin. Horowicz, 1960.)

 

 

Это видно из рис. 5–13, на котором представлен график зависимости мембранного потенциала живой клетки от внеклеточной концентрации К⁺ – основного иона, определяющего потенциал покоя. При высоких концентрациях К⁺ наклон кривой равен примерно 58 мВ на десятикратное увеличение содержания калия. При низких же концентрациях эта кривая перестает совпадать с теоретической кривой для Е_к, поскольку важную роль в создании мембранного потенциала начинает играть Na ⁺ : хотя проницаемость мембраны для этого иона мала, произведение P_Na[Na ⁺]₀ приближается к произведению P_K[К ⁺₀ . Используя меченые изотопы, Ричард Д. Кейнс в 1954 г. определил проницаемость мышцы лягушки для основных ионов. Оказалось, что проницаемость для натрия примерно в 100 раз меньше, чем для калия. Поэтому для мембран мышечных клеток (Ион Cl¯ в отличие от ионов Na⁺ и К ⁺ не переносится активно через клеточную мембрану, а просто пассивно распределяется между наружной и внутренней средами в соответствии с мембранным потенциалом; это означает, что Е_Cl =V_м. Таким образом, не ион Cl¯ вносит вклад в создание мембранного потенциала, а скорей наоборот – мембранный потенциал задает распределение Cl¯. Поэтому при расчете мембранного потенциала концентрацией этого иона можно пренебречь. Однако в других клетках ионы Cl¯ не находятся в состоянии электрохимического равновесия по разные стороны мембраны и могут участвовать в создании мембранного потенциала.) уравнение Голдмана можно записать в следующем упрощенном виде:

 

V_M  = RT / F  ln  [К ⁺₀ +0,001 Na⁺₀ / К ⁺]_i +0,001Na⁺_i = 0,058 lg 2,5 + (0,01) (120) / 140 + (0,01) (10) = –0,092 В = –92 мВ

 

 

Исследования с применением микроэлектродов показали, что потенциал покоя клеток скелетных мышц лягушки колеблется от –90 до –100 мВ. Такое хорошее соответствие экспериментальных данных теоретическим подтверждает, что потенциал покоя в значительной степени определяется простыми диффузионными потенциалами неорганических ионов.

В мышцах, нервах и большинстве других клеток потенциал покоя намного более чувствителен к изменениям внеклеточной концентрации калия, чем других катионов. Это хорошо согласуется с тем, что и проницаемость клеточных мембран для К⁺ относительно велика по сравнению с остальными катионами: в покое в мембране преимущественно открыты каналы, избирательно пропускающие К ⁺ . Что же касается, например, Na⁺, то значительные изменения внеклеточной концентрации этого иона оказывают лишь слабое влияние на мембранный потенциал: проницаемость мембраны для Na⁺  мала.