1. Передача информации посредством электрического возбуждения. Потенциал покоя.
2. Диффузионный потенциал. Трансмембранный градиент концентрации калия.
4. Влияние глии на состав межклеточной среды. Гематоэнцефалический барьер.
5. Потенциал действия. Временной ход потенциала действия. Реполяризация.
6. Следовые потенциалы. Природа потенциала действия. Порог и возбудимость.
7. Проводимость мембраны. Ионные токи во время потенциала действия.
8. Кинетика ионных токов во время возбуждения. Регистрация мембранных токов.
9. Натрий (Na) и калиевая (K) проводимость во время потенциала действия.
10. Инактивация натриевого (Nа) - тока.
В плазме крови концентрация калия (K) обычно поддерживается близкой к своему нормальному уровню -4 мМ (табл. 1.1). Однако во многих нервных клетках не происходит быстрого обмена ионов с плазмой, и для них [К+]0 может существенно отличаться от нормального уровня. На рис. 2.3 схематически изображен нейрон ЦНС, который отделен от ближайшего капилляра глиальными клетками. Здесь внеклеточное пространство существует в виде узких щелей шириной примерно 15 нм. Периферические аксоны аналогичным образом тесно окружены шванновскими клетками. Такие интерстициальные пространства вполне адекватно обеспечивают в длительных временных масштабах выравнивание состава внешней среды путем диффузии, однако при интенсивной активности нейронов концентрации ионов во внеклеточном пространстве могут на короткое время значительно изменяться. Во время интенсивной электрической активности ионы натрия (Na+) входят в клетку, а ионы калия (K) выходят из нее.
Рис. 2.10. Зависимость максимальной натриевой (Na)-проницаемости
, P(Na), от величины скачков деполяризации. Перехват Ранвье был деполяризован от исходного мембранного потенциала -80 мВ до тестирующих потенциалов, отложенных по оси абсцисс. На вставке: деполяризация до тестирующего потенциала и возникающий в ответ натрия (Na) - ток, I(Na). Максимум lNo определяет (вместе с внутри- и внеклеточной концентрациями натрия (Na) и мембранным потенциалом) максимальную P(Na). Кривые зависимости P(Na) от потенциала смещаются вдоль оси абсцисс при изменениях внеклеточной концентрации кальция (Са2+) ([Са2+]0 от 0 до 20 мМ). При снижении [Са2+]0 пороговая деполяризация для повышения P(Na) уменьшается; происходит повышение возбудимости перехвата Ранвье
(по с изменениями)
Высокая внеклеточная концентрация натрия (Na+) при этом заметно не меняется, тогда как концентрация калия (K) может существенно-возрастать. Внеклеточную концентрацию К+ можно измерить с помощью микроэлектродов, заполненных селективными К+-ионообменниками. При высокой активности нервных клеток внеклеточная концентрация калия (K) возрастает от нормального уровня 3-4 мМ до 10 мМ . Согласно уравнению Нернста (см. рис. 2.2), такие высокие внеклеточные концентрации калия (K) вызывают сильную деполяризацию нервных клеток. Не исключено, что деполяризация, которая обусловлена повышенной внеклеточной концентрацией калия (K), является одной из причин развития в мозге судорожных разрядов, возникающих, например, во время эпилептических приступов . После окончания интенсивной работы клеток процесс активного транспорта калия (K) может сдвинуть его внеклеточную концентрацию ниже нормального уровня, вызывая гиперполяризацию нервных клеток.
Рис. 2.3. А-Г. Свойства глиальных клеток.
А. Схема относительного расположения нейронов, глии и капилляров, составленная по электронно-микроскопическим данным. Астроцит (обозначен розовым цветом), в который введен микроэлектрод для регистрации мембранного потенциала, находится между капилляром и нейроном. Все клетки разделены межклеточными промежутками шириной примерно 15 нм (на схеме относительная ширина щелей увеличена). Б. Зависимость мембранного потенциала глиальных клеток (ордината) от внеклеточной концентрации калия [К+]0. Средний уровень потенциала покоя (ПП) составляет -89 мВ. Экспериментальные данные отклоняются от потенциалов рассчитанных по уравнению Нернста, только при [К+]0 = 0,3 мМ. В. Деполяризация глиальных клеток, обусловленная активностью окружающих нейронов, в зрительном нерве протея (Necturus). при его раздражении одним или тремя стимулами с интервалами 1 с (показаны вертикальными стрелками). Г. Деполяризация глиальных клеток в том же препарате во время серии стимулов длительностью 20 с при частоте 1, 2 или 5 Гц; в последнем случае деполяризация достигает почти 20 мВ. B и Г: следует обратить внимание на гораздо более медленный (секунды!) временной ход деполяризации по сравнению с потенциалом действия (по с изменениями)
Во время активности нейронов ЦНС может изменяться внеклеточная концентрация еще одного иона -кальция (Са) . Концентрацию кальция (Са), так же как и концентрацию калия (K) , можно измерить с помощью микроэлектродов, заполненных селективным ионообменником. При активации синаптических окончаний кальция (Са) входит в них; соответственно во время их высокочастотного возбуждения обнаруживается снижение внеклеточной концентрации кальция (Са) . При низкой концентрации кальция (Са) повышается возбудимость нейронов (см. ниже, рис. 2.10), что может приводить к патологическим изменениям в них .
Положительно заряженных ионов калия в окружающую среду из цитоплазмы клетки в процессе установления осмотического равновесия. Анионы органических кислот , нейтрализующие заряд ионов калия в цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать их градиент концентрации на клеточной мембране .
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ Мембранные потенциалы - Часть 1
✪ Потенциал покоя: - 70 мВ. Деполяризация, реполяризация
✪ Потенциал покоя
Субтитры
Нарисую небольшую клетку. Это будет типичная клетка, и она наполнена калием. Мы знаем, что клетки любят накапливать его внутри себя. Много калия. Пусть его концентрация будет где-то 150 миллимоль на литр. Огромное количество калия. Возьмем это в скобки, потому что скобки обозначают концентрацию. Снаружи также имеется некоторое количество калия. Здесь концентрация будет примерно 5 миллимоль на литр. Я покажу вам, как будет устанавливаться градиент концентрации. Это не происходит само по себе. Для этого требуется много энергии. Два иона калия закачиваются внутрь, и одновременно с этим три иона натрия покидают клетку. Так ионы калия попадают внутрь изначально. Теперь, когда они внутри, будут ли они удерживаться тут сами по себе? Конечно, нет. Они находят анионы, небольшие молекулы или атомы с отрицательным зарядом, и располагаются вблизи них. Таким образом суммарный заряд становится нейтральным. У каждого катиона есть свой анион. И обычно эти анионы являются белками, какими-то структурами, у которых имеется отрицательная боковая цепь. Это может быть и хлорид, или, например, фосфат. Что угодно. Любой из этих анионов подойдет. Изображу еще несколько анионов. Итак, вот два иона калия, которые просто проникли внутрь клетки, вот как все это выглядит теперь. Если все хорошо и статично, то вот как они выглядят. И на самом деле, чтобы быть совсем справедливым, здесь также есть маленькие анионы, которые находятся здесь наравне с ионами калия. В клетке есть маленькие отверстия, через которые калий может вытекать наружу. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть и как это повлияет на происходящее здесь. Итак, у нас есть эти маленькие каналы. Через них может пройти только калий. То есть эти каналы очень специфичны в отношении калия. Ничто другое не может пройти через них. Ни анионы, ни белки. Ионы калия как бы разыскивают эти каналы и рассуждают: «Ух ты, как интересно! Здесь столько калия! Надо бы выйти наружу». И все эти ионы калия просто покидают клетку. Выходят наружу. И в результате происходит интересная вещь. Большинство из них переместилось наружу. Но снаружи уже есть несколько ионов калия. Я сказал, что здесь был вот этот маленький ион, и он может теоретически проникнуть внутрь. Он может проникнуть в эту клетку, если захочет. Но дело в том, что в общей сложности, суммарно, у вас происходит больше перемещений наружу, чем внутрь. Теперь я стираю этот путь, потому что хочу, чтобы вы запомнили, что у нас имеется больше ионов калия, которые стремятся выйти наружу вследствие наличия градиента концентрации. Это первый этап. Давайте я это запишу. Градиент концентрации приводит к тому, что калий перемещается наружу. Калий начинает перемещаться наружу. Выходит из клетки. А что потом? Давайте, я нарисую его в процессе выхода наружу. Этот ион калия теперь находится здесь, а этот - здесь. Остаются только анионы. Они остались после ухода калия. И эти анионы начинают производить отрицательный заряд. Очень большой отрицательный заряд. Лишь несколько анионов, перемещающихся туда и обратно, создают отрицательный заряд. А ионы калия на внешней стороне думают, что все это очень интересно. Вот здесь имеется отрицательный заряд. А раз он там есть, они притягиваются к нему, поскольку сами обладают положительным зарядом. Их тянет к отрицательному заряду. Они хотят вернуться. Теперь задумайтесь. У вас имеется градиент концентрации, который выталкивает калий наружу. Но, с другой стороны, присутствует мембранный потенциал, - в данном случае отрицательный - который возникает из-за того, что калий оставил после себя анион. Этот потенциал стимулирует калий к тому, чтобы возвращаться назад. Одна сила, концентрация, выталкивает ион калия наружу, другая сила, мембранный потенциал, который создается калием, заставляет его возвращаться внутрь. Освобожу немного места. Сейчас покажу вам кое-что любопытное. Построим две кривые. Я постараюсь ничего не пропустить на этом слайде. Нарисую все здесь и тогда будет видно небольшой фрагмент этого. Строим две кривые. Одна из них будет для градиента концентрации, а другая - для мембранного потенциала. Это будут ионы калия снаружи. Если следить за ними в течение времени - это время - получится примерно следующее. Ионы калия стремятся выйти наружу и в определенной точке достичь равновесия. Проделаем то же самое со временем на этой оси. Это у нас будет мембранный потенциал. Начинаем в нулевой временной точке и получаем отрицательный результат. Отрицательный заряд будет становиться все больше и больше. Начинаем в нулевой точке мембранного потенциала, и именно в точке, где ионы калия начинают выходить наружу, происходит следующее. В общих чертах все очень похоже, но это происходит как бы параллельно изменениям концентрационного градиента. И когда эти два значения уравняются между собой, когда количество ионов калия, выходящих наружу, равно количеству ионов калия, которые возвращаются внутрь, получается вот такое плато. И оказывается, что заряд при этом составляет минус 92 милливольта. В этой точке, где практически отсутствует различие с точки зрения суммарного перемещения ионов калия, наблюдается равновесие. У него даже есть свое название - «равновесный потенциал для калия». При достижении значения минус 92 - а оно различается в зависимости от типа ионов - при достижении минус 92 для калия, создается равновесие потенциалов. Запишу, что заряд для калия равен минус 92. Это происходит только тогда, когда клетка проницаема лишь для одного элемента, например, для ионов калия. И все равно может возникнуть вопрос. Вы можете рассуждать: «Так, секундочку! Если ионы калия перемещаются наружу - что так и есть - тогда разве в определенной точке у нас не возникает более низкая концентрация, поскольку калий уже вышел отсюда, и более высокая концентрация вот здесь обеспечивается за счет перемещения калия наружу?» Технически это так. Здесь, снаружи, содержится больше ионов калия. И я не упомянул о том, что объем тоже меняется. Здесь получается более высокая концентрация. И то же самое справедливо для клетки. Технически здесь более низкая концентрация. Но фактически я не изменил значения. И причина в следующем. Посмотрите на эти значения, это моли. И это огромное число, согласны? 6,02 умножить на 10 в минус 23 степени, совсем не маленькое число. И если вы умножите его на 5, то получится примерно - давайте я быстро посчитаю, что у нас получилось. 6 умножить на 5 будет 30. А здесь миллимоли. От 10 до 20 молей. Это просто огромное количество ионов калия. А для создания отрицательного заряда их нужно совсем немного. То есть изменения, вызванные перемещениями ионов, будут незначительными по сравнению с 10 в 20 степени. Вот почему изменения концентрации не учитываются.
История открытия
Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка −60 мВ - −70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.
Формирование потенциала покоя
ПП формируется в два этапа.
Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na + на K + в соотношении 3: 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ , обеспечивает его электрогенность.
Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:
1. Дефицит ионов натрия (Na +) в клетке.
2. Избыток ионов калия (K +) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).
Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K + . Ионы калия K + покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до −70 мВ.
Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.
· Формирование клеточного возбуждения обусловлено именно транспортом ионов. Билипидный слой клеточной мембраны непроницаем для ионов (Na, K, Cl), для их транспорта в клетку и из клетки предназначены ионные каналы - специальные интегральные белки, характеризуемые свойствами специфичность (проницаемость для конкретного иона, что связанно с размером его в гидратной оболочке) и регулируемость.
Можно привести следующую классификацию ионных каналов:
1. Нерегулируемые (всегда открыты)
2. Регулируемые
· Потенциалзависимые
· Лигандзависимые
· Терочувствительные
· Механочувствительные
Особый интерес в рассмотрении темы возбуждения представляют потенциал - зависимые ионные каналы (рис. 2).
Рис. 2.
Схема иллюстрирует потенциалзависимый канал в покое (1), в активированном (2) и инактивированном (3) состоянии, что определяется значением мембранного потенциала. Соответственно: 1- канал не функционирует, т.к. воротный механизм (предположительно - заряженная группа белковой молекулы, образующей канал) закрыт; 2- канал открыт (в результате уменьшения МП) и пропускает катионы (J); 3-канал не пропускает ионов ввиду изменения пространственного положения другой заряженной группы. Вещество (ЛВ, обозначено треугольником) может ускорять и облегчать инактивацию (4), блокировать открытый канал (5), облегчать активацию (6а) или затруднять инактивацию (6б).
Ионные каналы предназначены для регуляции пассивного транспорта ионов путём диффузии, идущего по градиенту концентрации (из области с большей концентрацией в область с меньшей). Однако имеет место также транспорт против градиента концентрации, идущий с затратами энергии с помощью мембранных белков - АТФаз. Данные белки дефосфорилируют молекулы АТФ и за счёт энергии, высвобождающейся при гидролизе макроэргических связей, переносят ионы через мембрану против градиента концентрации по принципу “помпы” для откачки воды. По своей сути данный путь транспорта противопоставляется пассивному транспорту. Основным каналом активного транспорта ионов через мембрану является белок Na-KАТФаза, при гидролизе 1 молекулы АТФ переносящая 3Na из клетки и 2К в клетку. В целом на активный мембранный транспорт затрачивается 30% энергии АТФ от общего количества в клетке.
Цель ионного мембранного транспорта - поддержание разности концентраций ионов в цитоплазме и внешней среде. Действуя непрерывно и противоположно, компенсируя друг друга, пассивный и активный механизмы переноса ионов обеспечивают поддержание динамического концентрационного неравновесия, устойчивого во времени.
Мембранный потенциал покоя
Разность концентраций ионов - заряженных частиц - внутри клетки и снаружи обеспечивает разность зарядов цитоплазмы и внешней среды, а, следовательно, разность зарядов на внутренней и внешней поверхностях мембраны, что является условием возникновения мембранного потенциала. Потенциал покоя (ПП) - мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от -55 до -100 мВ. У нейронов и нервных волокон обычно составляет -70 мВ.
Так как заряд мембраны объясняется разностью концентраций ионов по обе стороны от неё, то и мембранный потенциал зависит от концентрации ионов в цитоплазме и межклеточной жидкости.
Для расчёта мембранного потенциала через концентрацию ионов используется уравнение Нернста.
Уравнение Нернста
Ф - мембранный потенциал покоя
R= 8,31 -универсальная газовая постоянная
Т - абсолютная температура
Z - заряд иона
F=96000 - постоянная Фарадея
Со - концентрация иона снаружи
Сi - концентрация ионов внутри
С помощью уравнения Нернста можно рассчитать равновесный трансмембранный потенциал для K + , который и определяет значение потенциала покоя. Но значение потенциала покоя полностью не совпадает с dф, так как в создании его участвуют также ионы натрия и хлора, вернее, их равновесные потенциалы.
Было доказано, что основной вклад в создание потенциала покоя вносит выходящий калиевый ток, который осуществляется через специфические белки-каналы - калиевые каналы постоянного тока. В покое калиевые каналы открыты, а натриевые каналы закрыты. Ионы калия выходят из клетки по градиенту концентрации, что создает на наружной стороне мембраны избыток положительных зарядов; при этом на внутренней стороне мембраны остаются отрицательные заряды. Некоторый (небольшой) вклад в создание потенциала покоя вносит также работа так называемого "натрий-калиевого насоса", который образован особым мембранным ферментом - натрий-калиевой АТФазой.
Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка?60 мВ - ?70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.
Формирование потенциала покоя
Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na + на K + в соотношении 3:2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ, обеспечивает его электрогенность.
Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:
1. Дефицит ионов натрия (Na +) в клетке.
2. Избыток ионов калия (K +) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).
Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K + . Ионы калия K + покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до -70 мВ.
Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.
Возбудимость - способность клеток и тканей переходить в состояние физиологической активности иод влиянием каких-либо внешних воздействий (раздражителей), достигших пороговой величины. Возбудимостью обладают любые живые клетки, в том числе растительные, но в наибольшей степени она выражена у клеток животных - таких, как нервные, мышечные и железистые.
Любому специалисту, связанному с исследованиями организма животного и человека, необходимо понимать, что именно возбудимые клетки составляют основу НС, воспринимают сигналы из внешней и внутренней среды организма, обеспечивают его ответные реакции.
Все возбудимые клетки обладают тремя свойствами:
1) ПН, или мембранным потенциалом, - разностью электрического потенциала между внутриклеточной средой и средой, окружающей клетку;
- 2) IIД - способностью генерировать краткий электрический ответ под действием любого раздражителя, интенсивность которого достигла определенного порога;
- 3) проводимостью - способностью распространять ПД по телу клетки и ее отросткам.
Проведем следующий эксперимент. Если взять нейрон, находящийся в настоящий момент в состоянии покоя, и ввести тонкий стеклянный микроэлектрод с кончиком диаметром не более 1 мкм, то такой кончик не нанесет клетке видимых повреждений. Полость стеклянного электрода должна быть заполнена жидкостью, хорошо проводящей ток (электролитом). Чаще всего для этой цели используют раствор хлористого калия (КС1). Электрод соединяют с вольтметром. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 8.1).
Рис . 8.1.
а - рисунок с микрофотографии; б - схема регистрации потенциала покоя путем
введения в нейрон кончика микроэлектрода; в - скачок мембранного потенциала в момент введения в нейрон кончика микроэлектрода (4)
В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок потенциала вниз до уровня приблизительно -70 мВ. Это и есть мембранный потенциал, или ПП. Если электрод не двигать, а для нейрона создать правильные условия (состав окружающего раствора, температура), то ПП будет поддерживаться без всяких видимых изменений в течение нескольких часов. ПП найден во всех возбудимых клетках, и его величина колеблется от -30 до -100 мВ в зависимости от того, с какими клетками проводится опыт.
Потенциал покоя был открыт в середине XIX в. великим швейцарским физиологом Эмилем Дюбуа-РеймоноМу а его ученик Юлиус Бернштейн создал самую первую теорию, которая объясняла, почему внутри возбудимых клеток, находящихся в состоянии покоя, регистрируется явный избыток отрицательных зарядов. Исходя из данных, полученных целым рядом исследователей, Бернштейн частично установил, а частично предположил следующее:
- - в цитоплазме возбудимых клеток содержится гораздо больше ионов К + , чем в окружающей среде, а ионов Na + и С1~ - гораздо меньше;
- - возбудимые клетки покрыты полупроницаемой мембраной, которая в состоянии покоя свободно пропускает ионы Na + , Са 2+ , С1 _ и т.д.
Если это так, то часть ионов К + должна выходить через клеточную мембрану в межклеточную среду, оставляя в клетке избыток парных К + отрицательно заряженных частиц - анионов.
Поэтому на внутренней поверхности мембраны клетки создается отрицательный заряд (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Роль ионов К + в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП):
а - возникновение ПП вследствие диффузии ионов К + через постоянно открытые каналы утечки; б - изменение уровня ПП при изменении концентрации К* во
внешней среде
Но избыток отрицательно заряженных частиц будет притягивать к себе ионы К + , препятствуя их выходу из клетки, а вышедшие в межклеточное пространство ионы К" также будут «отталкивать» положительно заряженные частицы, не давая выйти из клетки новым порциям К + . В итоге выход К + продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического ноля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.
Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и К + продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинаковым. Такое состояние называется динамическим равновесием - равенством двух противоположно направленных процессов. Если один из процессов усилится или ослабнет, то точка равновесия сместится. Например, если, как это делал Бернштейн, искусственно увеличить концентрацию К + в межклеточной среде, то это, естественно, будет мешать выходу из клетки новых порций положительно заряженных частиц (К +), и ПП станет менее отрицательным, смещаясь к нулю (см. рис. 8.2). Если же искусственно уравнять концентрацию К + в цитоплазме и вне клетки, то ПП будет равен нулю. Так Бернштейн доказал, что ПП в возбудимой клетке определяется разницей концентрации К + внутри этой клетки и во внеклеточной среде. Бернштейн предложил для количественной оценки ПП использовать уравнение, выведенное Вальтером Нернстом для искусственной системы, представляющей собой два раствора КС1 различной концентрации, разделенных искусственной мембраной, проницаемой только для К + (рис. 8.3).
Рис. 83.
а - принципиальная схема установки с двумя сосудами (1 и 2), содержащими разные концентрации КС1 и разделенными мембраной, проницаемой только для К + ;
6 - поток (показан стрелками) катионов (+) через мембрану из области с их большей концентрацией (1) в область с меньшей концентрацией (2), приводящий к возникновению на мембране потенциала
В один сосуд он налил 10%-ный раствор КС1, а во второй - 1%-ный раствор этой соли. В обоих растворах произошла диссоциация КС1 на К + и СП, но в сосуде 1 исходно было в 10 раз больше и катионов (К +), и анионов (С1“), чем в сосуде 2. Так как разделяющая растворы полупроницаемая мембрана хорошо пропускает катионы, то часть ионов калия (К +) перешла из сосуда 1, где концентрация КС1 исходно была выше, в сосуд 2, в котором концентрация КС1 была в 10 раз ниже. Поскольку ионы калия несут положительный заряд, то положительных зарядов в сосуде 2 будет больше, чем отрицательных. В сосуде 1 таким образом окажется некоторый избыток «брошенных» анионов хлора, потерявших свои катионы калия. Но отрицательно заряженные ионы С1“ будут притягивать назад часть положительно заряженных ионов К + за счет взаимодействия электрических зарядов. Через какие-то мгновения потоки К + из сосуда 1 в сосуд 2 и наоборот станут равными. Однако в сосуде 1 ионов К + будет все равно меньше, чем ионов С1 _ (ведь часть К* перешла в сосуд 2), а в сосуде 2 будет больше ионов К + , чем ионов С1 _ (за счет пришедших из сосуда 1). Следовательно, раствор в сосуде 1 будет заряжен отрицательно по отношению к раствору в сосуде 2.
Между растворами установится нернстовский потенциал, который, согласно уравнению Нернста, равен
где Е - величина потенциала, возникающего между растворами, налитыми в сосуд 1 и сосуд 2; R - газовая постоянная; Т - температура; F - число Фарадея; Z - валентность; [С { - концентрация ионов К + в сосуде 1; [С 2 ] концентрация ионов К + в сосуде 2.
Бернштейн предложил использовать приведенное выше уравнение Нернста для определения мембранного потенциала, как только узнал, что именно К + может проходить через мембрану покоящейся возбудимой клетки. Однако соотношение концентраций катионов калия внутри и снаружи клетки оказалось не 1: 10 (как в искусственной экспериментальной системе Нернста), а совсем другим. Так, в мышечных клетках калия в 49 раз больше, чем в среде, окружающей клетки. Зато в окружающей среде, т.е. вокруг возбудимых клеток, ионов натрия (Na +) приблизительно в 10 раз больше, чем внутри клеток. Однако, когда клетка находится в состоянии покоя, натрий не может проникать сквозь клеточную мембрану внутрь клетки и не участвует в создании 1111. За последние 70 лет многие ученые путем оригинальных экспериментов окончательно доказали, что отрицательный заряд покоящейся возбудимой клетки обусловлен тем, что часть ионов калия выходит через наружную мембрану во внешнюю среду до тех пор, пока не установится динамическое равновесие: сколько ионов калия вышло из клетки, столько же и войдет обратно. При этом на мембране устанавливается ПП, характерный для данного вида возбудимых клеток и определяемый тем, что в цитоплазме клетки остается избыток отрицательно заряженных ионов - анионов, главным образом, крупных белковых молекул, имеющих отрицательный заряд, «покинутых» катионами, т.е. ионами калия. Анионы пройти через мембрану не могут и остаются в клетке, определяя отрицательный заряд цитоплазмы.
Однако впоследствии было показано, что в мембране нейронов имеется небольшое количество постоянно открытых каналов для калия, по которым катионы натрия по градиенту концентрации (вокруг нейрона в 10 раз больше натрия, чем в цитоплазме) постоянно проникают в клетку, сдвигая 1111 к менее отрицательным значениям.
Входящий в клетку небольшой ток натрия (ток утечки), изменяя IIII, делает нейрон более возбудимым; чем этот ток значительнее, тем сильнее IIII сдвинут к тем пороговым величинам, за которыми следует переход нейрона в состояние возбуждения. Таким образом, возникает возможность поддерживать нейроны одних систем на высоком уровне возбудимости, а других - на пониженном. Как было выяснено, в межклеточной среде содержится в пять раз больше ионов хлора (С1“), чем в цитоплазме, однако в покое ток ионов хлора через наружную мембрану в клетку очень мал и составляет всего 4%, если сравнить с током ионов калия, но, строго говоря, для точного определения величины ГГП в уравнении Нернста надо подставить величины проницаемости для всех видов ионов, которые могут в покое проникать через мембрану клетки и менять ПП. Полученное уравнение носит имя Голдмана - Ходжкина - Катца:
где Р - проницаемость мембраны для соответствующих ионов.
Механизм генерации ПП, концентрация ионов вне и внутри клеток, проницаемость наружной мембраны для ионов - все это исследовалось на различных объектах, однако основной вид клеток, на котором проводились опыты, - нейроны кальмаров (точнее, аксоны этих нейронов). В 1930-е гг. было обнаружено, что аксоны нейронов некоторых нервных узлов (звездчатого ганглия) этих головоногих имеют гигантский диаметр (до 1 мм), и с ним очень удобно экспериментировать.
Итак, ПП возбудимой клетки определяется несколькими факторами, главными из которых, безусловно, являются разница концентраций К + внутри и снаружи клетки и свободный ток К + , идущий через мембрану. Определенную роль в генерации ПП играют слабые входящие токи Na + и С1“, для которых мембрана клетки, находящейся в состоянии покоя, почти непроницаема. Изменяя любой из этих параметров, можно в той или иной степени менять ПП, тем самым изменяя способность клетки к возбуждению.
Оба эти элемента находятся в первой группе системы Менделеева - они соседи и во многих отношениях похожи друг на друга. Активные, типичные металлы, атомы которых легко расстаются со своим единственным внешним электроном, переходя в ионное состояние, эти элементы образуют многочисленные соли, широко распространенные в природе. Однако более внимательное исследование обнаруживает, что биологические функции натрия и калия не одинаковы. Соли калия лучше поглощаются почвенным комплексом, поэтому в тканях растений оказывается относительно больше калия, тогда как соли натрия преобладают в морской воде. В биологических машинах оба эти иона иногда действуют совместно, иногда прямо противоположным образом.
В распространении по нерву электрических импульсов принимают участие оба иона. В покоящемся нерве, во внутренней его части, сосредоточен отрицательный заряд (рис. 20, а), а на внешней стороне - положительный; концентрация ионов калия больше концентрации ионов натрия внутри нерва. При раздражении изменяется проницаемость мембраны нервного волокна, и ионы натрия устремляются внутрь нерва быстрее, чем ионы калия успевают выходить оттуда (рис. 20, б). В результате на внешней стороне нервного волокна появляется отрицательный заряд (там не хватает катионов), а внутри нерва (где имеется теперь избыток катионов) возникает положительный заряд (рис. 20, в). На внешней стороне волокна начинает происходить диффузия ионов натрия от соседних участков к тому, который обеднен ионами этого металла. Энергичная диффузия ведет к появлению отрицательного заряда уже на соседних участках (рис. 20, г), а на исходном восстанавливается первоначальное состояние. Таким образом, состояние поляризации (плюс - внутри, минус - снаружи) передвинулось по нервному волокну. Дальше все процессы повторяются, и нервный импульс довольно быстро распространяется по всему нерву. Следовательно, механизм распространения электрического импульса по нерву обусловлен различной проницаемостью мембраны нервного волокна по отношению к ионам натрия и калия.
Вопрос о проницаемости мембран клеток для тех или иных веществ крайне важен. Прохождение вещества через биологическую мембрану далеко не всегда напоминает простую диффузию через пористую перегородку. Так, например, глюкоза и другие углеводы проходят через мембрану эритроцита с помощью специального переносчика, который проводит молекулы через мембрану. При этом должны выполняться специальные условия - молекула углевода должна иметь определенную форму, она должна быть изогнута так, чтобы ее контур приобрел очертания кресла, иначе перенос может не состояться. Концентрация углеводов во внешней среде больше, чем внутри эритроцита, поэтому такой перенос называют пассивным.
Бывают случаи, когда мембрана наглухо закрывается для определенных ионов: в частности, в митохондриях внутренняя мембрана вообще не пропускает ионов калия. Однако эти ионы попадают внутрь митохондрии, если в окружающей среде имеются антибиотики валиномицин или грамицидин. Валиномицин специализируется, главным образом, на ионах калия (может переносить и ионы рубидия и цезия), а грамицидин переносит, кроме калия, также ионы натрия, лития, рубидия и цезия.
Было выяснено, что молекулы таких проводников имеют форму баранки, радиус отверстия которой таков, что внутри баранки помещается ион калия, натрия или другого щелочного металла. Эти антибиотики назвали ионофорами ("носителями ионов"). На рис. 21 показаны схемы переноса ионов сквозь мембрану молекулами валиномицина и грамицидина. Весьма вероятно, что то токсическое действие, которое антибиотики оказывают на различные микроорганизмы, как раз и связано с тем, что в их присутствии мембраны начинают пропускать внутрь те ионы, которым быть там не полагается; это нарушает работу химических систем клетки микроорганизма и ведет к ее гибели или к серьезным расстройствам, прекращающим ее размножение.
Существенную роль в биологических машинах играют активные переносы через мембраны (см. гл. 8). Возникает вопрос: откуда же черпается энергия, необходимая для активного переноса, и можно ли осуществить его без специального переносчика?
Что касается энергии, то в конечном счете она доставляется все теми же универсальными молекулами АТФ или креатинфосфатом, гидролиз которых сопровождается освобождением больших количеств энергии. А вот относительно переносчиков вопрос менее ясен, хотя несомненно, что без ионов металлов калия и натрия здесь не обойтись.
Концентрация различных веществ в клетке (белковых и минеральных) выше, чем в окружающей среде; по этой причине чаще всего клетка оказывается под угрозой чрезмерного проникновения в нее воды (в результате осмоса). Для того чтобы избавиться от этого, клетка выкачивает ионы натрия в окружающую среду и тем самым выравнивает осмотическое давление. По этой причине концентрация ионов натрия в клетке меньше, чем в среде. Здесь опять обнаруживается различие между натрием и калием. Удаляется натрий, и концентрация ионов калия оказывается относительно больше внутри клетки. Так, эритроцит содержит калия примерно в пять раз больше, чем натрия.
И в мышцах велико содержание калия: на 100 г сырой мышечной ткани калия содержится 366 мг, а натрия 65 мг. Калий в мышцах облегчает переход глобулярной формы актина в фибриллярную, которая и соединяется с миозином (см. выше).
Известны некоторые случаи, когда фермент, активируемый ионом калия, подавляется ионами натрия, и наоборот. Поэтому открытие фермента, для действия которого необходимы оба иона, привлекло внимание биохимиков. Фермент этот ускоряет гидролиз АТФ и называется (K + Na) АТФ-аза. Для понимания его роли и механизма действия надо опять обратиться к процессам переноса.
Как мы уже указывали, внутри клеток повышена концентрация ионов калия, а в окружающей клеточной среде относительно больше натрия. Выкачивание ионов натрия из клетки ведет к усиленному поступлению в клетку ионов калия, а также и других веществ (глюкозы, аминокислот). Ионы натрия и калия могут обмениваться по принципу "ион на ион", и тогда не возникает разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны. Но если внутри клетки оказывается больше ионов калия, чем оттуда ушло ионов натрия, возможно возникновение скачка потенциалов (около 100 мВ); система выкачивания натрия называется "натриевым насосом". Если при этом появляется разность потенциалов, то применяют термин "электрогенный натриевый насос".
Введение больших количеств ионов калия в клетку оказывается необходимым, так как ионы калия способствуют синтезу белка (в рибосомах), а также ускоряют процесс гликолиза.
В мембране клетки и располагается (K + Na) АТФ-аза - белок с молекулярной массой 670 000, который до сих пор не удалось отделить от мембран. Этот фермент гидролизует АТФ, а энергия гидролиза используется для переноса в направлении роста концентрации.
Замечательным свойством (К + Na) АТФ-азы является то, что она в процессе гидролиза АТФ активируется изнутри клетки ионами натрия (и тем обеспечивает выведение натрия), а снаружи клетки (со стороны среды) - ионами калия (облегчая их введение в клетку); в итоге и происходит необходимое клетке распределение ионов этих металлов. Интересно отметить, что ионы натрия в клетке никакими другими ионами заменить нельзя. АТФ-аза активируется изнутри только ионами натрия, но ионы калия, действующие снаружи, можно заменить на ионы рубидия или аммония.
Для функций отдельных органов, в частности сердца, имеет значение не только концентрация ионов калия, натрия, кальция и магния, но и их отношение, которое должно лежать в определенных пределах. Отношение концентраций этих ионов в крови человека не слишком отличается от соответствующего отношения, характерного для морской воды. Возможно, что биологическая эволюция от первых форм жизни, возникших в водах первичного океана или на его отмелях, до ее высших форм, сохранила некоторые химические "отпечатки" далекого прошлого...
Возвращаясь к началу этой главы, мы снова вспоминаем о многофункциональности ионов, об их способности выполнять в организмах самые разнообразные обязанности. Кальций, натрий, калий, а также кобальт проявляют эту способность неодинаковым образом. Кобальт образует прочный комплекс корринового типа, и уже этот комплекс катализирует разнообразные реакции. Кальций, натрий, калий выполняют функции активаторов. А вот ион магния может действовать и как активатор, и как составная часть прочного комплексного соединения - хлорофилла, одного из самых важных соединений, созданных природой.
Выдающийся ученый К. А. Тимирязев посвятил хлорофиллу труд, названный им "Солнце, жизнь и хлорофилл", указав в нем, что именно хлорофилл и есть то звено, которое связывает процессы выделения энергии на Солнце с жизнью на Земле.
В следующей главе мы и рассмотрим свойства этого интересного соединения.
