Іонні механізми потенціалу спокою

Іонну рівновагу

Електрична нейтральність

Вплив позаклітинного калію і хлору на мембранний потенціал

Література

_{Введення}

У стані спокою на мембрані нейронів підтримується постійний електричний потенціал, при цьому внутрішньоклітинна середу заряджена негативно стосовно позаклітинної. Оскільки всередині клітини більше іонів калію і менше іонів натрію і хлору, ніж зовні, то кожен з цих іонів прагне проникнути крізь мембрану в напрямку свого електрохімічного градієнта, тобто іони калію прагнуть назовні, а іони натрію і хлору - всередину клітини. Цьому переміщенню перешкоджає мембранний потенціал. Якщо уявити собі спрощену модель клітини, мембрана якої проникна лише для калію і хлору, то в неї можливий такий баланс між концентраційними градієнтами і мембранним потенціалом, при якому сумарний струм кожного з цих іонів дорівнює нулю. Тоді мембранний потенціал буде в точності дорівнює рівноважному потенціалу для цих двох іонів.

Якщо в такій моделі змінити позаклітинне концентрацію калію, то зміниться рівноважний потенціал для калію, а отже, і мембранний потенціал. Зміна позаклітинної концентрації хлору, навпаки, призведе до відповідного зміни його внутрішньоклітинного рівня. При цьому ні рівноважний потенціал для хлору, ні мембранний потенціал не зміняться.

Мембрана реальної клітини проникна також для натрію. У стані спокою іони натрію безперервно переміщуються всередину клітини, знижуючи таким чином негативний заряд на мембрані. Оскільки при цьому калій вже не знаходиться в рівновазі, він починає витікати з клітки. Якщо б не механізми компенсації, то таке переміщення натрію і калію призвело б до зміни їх внутрішньоклітинних концентрацій. Цього не відбувається завдяки роботі натрій-калієвого насоса-обмінника, що переносить іони натрію назовні і іони калію всередину клітини в пропорції 3:2. Мембранний потенціал спокою залежить від калієвого і натрієвого рівноважного потенціалу, відносної проникності клітинної мембрани для цих іонів, а також від стехіометрії натрій-калієвого насоса. У стані спокою швидкість переносу натрію і калію насосом в точності компенсує пасивну витік цих іонів. Натрій-калієвий обмінник вносить також безпосередній внесок в мембранний потенціал (у розмірі кількох мілівольт), оскільки він переміщує більше позитивних зарядів назовні, ніж всередину клітини.

У залежності від механізмів транспорту, рівноважний потенціал для хлору може бути як більше, так і менш негативним по відношенню до потенціалу спокою. Наявність значної хлорного проникності грає важливу роль у забезпеченні електричної стабільності багатьох клітин, незважаючи на те, що розподіл іонів хлору не настільки важливо для формування потенціалу спокою.

Виникнення електричних сигналів в нервовій клітині відбувається в основному за рахунок зміни проникності мембрани для таких іонів, як натрій і калій. Збільшення проникності мембрани дозволяє іонам переміщатися всередину або назовні клітини в напрямку своїх електрохімічних градієнтів. Зміни проникності залежать від активації іонних каналів. Переміщення іонів через канали в мембрані приводить до зміни заряду на неї і, отже, мембранного потенціалу. Щоб зрозуміти принцип виникнення електричного сигналу, необхідно усвідомити сутність іонних градієнтів на мембрані, а також те, як вони впливають на потенціал спокою.

_{Ідеальна клітина}

Почнемо з розгляду моделі ідеальної клітини, показаної на рис.1.1. У цій клітині містяться іони калію, натрію і хлору, а також великі аніони. Клітка поміщена в розчин, що містить іони натрію і калію. Інші іони, присутні в реальних клітинах, не відіграють істотної ролі у формуванні потенціалу спокою і тому не розглядаються в даній моделі. Концентрації іонів всередині і зовні клітини приблизно відповідають середнім величинам, отриманим на клітинах жаби. У клітинах птахів і ссавців ці значення дещо вищий, а в таких морських безхребетних, як кальмар - значно вище, ніж у жаби (див. табл. 1.1). У цій моделі розглядається клітинна мембрана, проникна для калію і хлору, але не для натрію і внутрішньоклітинних аніонів. Для того щоб клітина перебувала в стабільному стані, необхідне виконання трьох умов:

Рис.1.1 Розподіл іонів в ідеальній клітці.

но непроницаема для Na и внутриклеточных анионов (А). Мембрана проникна для К і Cl, але непроникна для Na і внутрішньоклітинних аніонів (А). Концентраційний градієнт іонів калію сприяє виходу цих іонів з клітки (чорна стрілка); градієнт потенціалу прагне перенести іони калію всередину клітини (сіра стрілка). У стані спокою ці дві сили врівноважують один одного. Концентраційний і електричний градієнти для хлору мають протилежні напрямки. Іонні концентрації виражені в мілімоля (ммоль).

1. Як внутрішньоклітинна, так і позаклітинна середовища повинні бути електрично нейтральними. Так, наприклад, розчин не може складатися з одних лише іонів хлору. Негативний заряд цих іонів повинен компенсуватися такими позитивними іонами, як натрій або калій (інакше взаємна відштовхування однаково заряджених частинок призведе до руйнування розчину).

2. Клітка повинна знаходитися в осмотическом рівновазі. В іншому випадку вода буде проникати в клітину (або випливати з неї) до тих пір, поки рівновага не буде досягнуто. Осмотичний рівновагу настає за умови рівності сумарної концентрації розчинених частинок всередині і поза клітиною.

3. Сумарний заряд кожного окремо взятого іона, стерпний через мембрани клітини, повинен дорівнювати нулю.

_{Іонну рівновагу}

Як створюються і підтримуються іонні градієнти і відповідний електричний потенціал? На рис.1.1 показано, що іони знаходяться в положенні зворотної пропорційності: іони калію більш концентровані всередині клітини, а іони хлору зовні. Уявімо собі, що мембрана клітини проникна тільки для іонів калію. Виникає питання, чому ці іони не дифундують з клітини назовні до тих пір, поки концентрації всередині і зовні клітини не зрівняються. Причина цього полягає в тому, що якщо іони калію залишають клітку, то зовні накопичується позитивний заряд, а всередині клітини утворюється надлишок заряду негативного. Виниклий в такий спосіб електричний потенціал знижує швидкість переміщення іонів калію, а при досягненні певного рівня призводить до повного його припинення. Це рівноважний потенціал для калію (Е _к). При потенціалі Е _до електричний градієнт повністю врівноважує градієнт хімічний, в результаті чого рух іонів припиняється. Окремі іони калію за раніше втікають в клітку і випливають із неї, але сумарний струм дорівнює нулю. Іони калію знаходяться в рівновазі.

Умови знаходження іонів калію в рівновазі ті ж самі, що описані і при розгляді нульового сумарного струму через одиночний канал у невеликій ділянці (patch) мембрани.

У цьому випадку концентраційний градієнт врівноважувався потенціалом, прикладеним до patch-електроду.

Важлива відмінність описуваної тут ситуації в тому, що переміщення іонів саме по собі виробляє електричний потенціал, що врівноважує і зупиняє це переміщення.

Іншими словами, рівновага в даній моделі досягається автоматично і є неминучим. Нагадаємо, що в розділі 2 рівноважний потенціал для калію виходив з рівняння Нернста:

де [К] ₁ і [К] ₀ - внутрішньоклітинна і позаклітинна концентрації калію, відповідно. Для клітини, зображеної на рис.1.1, отримаємо Е _K = - 85 мВ.

Припустимо тепер, що в мембрані, крім калієвих, присутні ще і хлорні канали. Оскільки для аніонів z = - 1, отримаємо рівноважний потенціал для хлору:

або, користуючись властивостями логарифма,

Для моделі ідеальної клітини отримаємо співвідношення концентрацій хлору, яке теж дорівнює 1: 30, і хлорний рівноважний потенціал, рівний - 85 мВ. Як і у випадку з калієм, мембранний потенціал величиною в - 85 мВ в точності врівноважує прагнення іонів хлору рухатися в напрямку їх концентраційного градієнта, тобто всередину клітини.

Узагальнюючи вищесказане, можна зробити висновок, що мембранний потенціал перешкоджає переміщенню як хлору всередину клітини, так і калію з клітини назовні. Рівноважні потенціали для двох іонів рівні завдяки тому, що співвідношення їхніх позаклітинних і внутрішньоклітинних концентрацій однакові (1: 30). Оскільки калій і хлор єдині іони в нашій моделі, здатні проникати через мембрану клітини, і при - 85 мВ обидва іона знаходяться в рівновазі, то клітина може знаходитися як завгодно довго в стані спокою, при якому сумарний переміщення іонів в клітину і з клітки дорівнюватиме нулю.

_{Електрична нейтральність}

Переміщення іонів калію назовні та іонів хлору всередину клітини призводить до накопичення негативного заряду в клітці і позитивного - у позаклітинному просторі. На перший погляд, така ситуація суперечить принципу електричної нейтральності, проте це не так. Іони калію, залишаючи клітку, накопичуються в безпосередній близькості від її мембрани, в той час як їх негативно заряджені супутники залишаються всередині клітини поблизу від внутрішньої поверхні тієї ж мембрани. І ті й інші фактично опиняються поза основної частини розчину, як поза-, так і внутрішньоклітинного. Також і іони хлору, входячи в цитоплазму, залишаються поблизу від мембрани, а їхні супутники, залишені перед проходом через мембрану, скупчуються поблизу від неї. Утворюються два шари іонів - катіонів зовні і аніонів всередині клітини, які утримуються у мембрани завдяки взаємному тяжінню. Таким чином, мембрана відіграє роль електричної ємності, що розділяє і що запасає заряд.

Вищесказане не означає, що іони калію і хлору прикуті до поверхонь мембрани. Окремі іони вільно обмінюються з іонами всередині - або позаклітинного розчину. Тим не менш, заряд, накопичений на мембрані, залишається незмінним, а розчини - нейтральними.

Цікавим є питання, яку частку від загальної кількості іонів у клітині складають іони, що накопичуються на мембрані. Частка їх досить незначна. Якщо припустити, що діаметр клітини становить 25 мкм, то при концентрації 120 ммоль загальна кількість катіонів (а отже, і аніонів) вийде 4 10 ^12. При мембранному потенціалі - 85 мВ величина заряду, розділеного мембраною, становить приблизно ¹⁰ Травень 1911 одновалентних іонів на см ^2. При площі поверхні клітки 8 10 ^-5 см ² виходить, що на внутрішній поверхні мембрани накопичується близько 4 ¹⁰ липня негативних іонів, або одна стотисячна частина загального числа іонів у внутрішньоклітинному розчині. Отже, переміщення іонів калію і хлору, достатню для створення мембранного потенціалу, ніяк не впливає на концентрації іонів у клітині.

_{Вплив позаклітинного калію і хлору на мембранний потенціал}

На мембранний потенціал нейронів, а також багатьох інших клітин, впливають зміни позаклітинної концентрації калію, але не хлору. Звернемося до моделі ідеальної клітини. Зробимо допущення (для розгляду даної ситуації), що обсяг позаклітинної рідини нескінченно великий, і що переміщення іонів не тягне за собою значної зміни концентрації іонів поза клітини. На рис.1.2 показані зміни внутрішньоклітинного іонного складу та мембранного потенціалу, викликані підвищенням позаклітинного рівня калію з 3 до 6 ммоль. Для збереження первісної осмолярності, одночасно з додаванням 3 ммоль калію з розчину видалили 3 ммоль натрію, в результаті чого загальна концентрація розчинених іонів залишилася на рівні 240 ммоль. Збільшення позаклітинної концентрації калію призводить до зниження його трансмембранного градієнта, рушійного іони з клітини назовні. При цьому на початковому етапі мембранний потенціал не змінюється. У результаті відбувається перенесення сумарного позитивного заряду всередину клітини. Внаслідок накопичення позитивного заряду на внутрішній поверхні мембрани вона деполярізуется. Іони натрію завдяки деполяризації виходять зі стану рівноваги і починають рухатися всередину клітини. Переміщення іонів калію і хлору продовжується до тих пір, поки не буде досягнуто нове рівноважний стан, засноване на новому співвідношенні концентрацій і новому рівні мембранного потенціалу, в даному прикладі - 68 мВ.

Вхід калію і хлору супроводжується струмом в клітку деякої кількості води, що призводить до невеликого збільшення об'єму клітини. У процесі досягнення нового стану рівноваги концентрація калію зростає з 90 до 91 ммоль, хлору - з 4 до 7,9 ммоль, а обсяг клітини збільшується на 3,5%. На перший погляд здається, що кількість увійшов в клітку хлору перевищує кількість калію, але уявімо собі, які були б ці концентрації, якщо б обсяг клітини не збільшився: концентрації обох іонів були б вищими на 3,5%. Отже, замість 7,9 ммоль концентрація хлору була б 8,2 ммоль, а концентрація калію була б на рівні 94,2 ммоль, тобто збільшення обох концентрацій склало б 4,2%. Таким чином, спочатку калій і хлор входять в клітку в приблизно рівних кількостях (за винятком незначної кількості, необхідного для зміни заряду на мембрані), а вже потім вода втікає в клітку, знижуючи концентрації обох іонів до остаточного рівня.

Рис.1.2 Вплив змін позаклітинних концентрацій іонів на внутрішньоклітинні концентрації і на мембранний потенціал. (А) Позаклітинна рівень калію подвоєний, а концентрація натрію знижена з метою збереження осмолярності на колишньому рівні. (В) Половина іонів позаклітинного хлору замінена на аніони, не проникають через мембрану (А). Іонні концентрації виражені в мілімоля (ммоль), обсяг позаклітинного простору розглядається як нескінченно великий у порівнянні з об'ємом клітини, тому вхід і вихід іонів через мембрану не змінює їх позаклітинних концентрацій.

Подібні міркування можна застосувати й у разі збільшення позаклітинної концентрації хлору, з тією лише різницею, що при цьому мембранний потенціал не змінюється. На рис. 1.2В показаний результат 50-відсоткового зниження концентрації хлору у позаклітинному розчині шляхом заміни 60 ммоль хлору на інший аніон, не проникає через мембрану. Іони хлору випливають з клітини, тим самим деполярізуя мембрану до нового хлорного рівноважного рівня (-68 мВ). Калій, виведений з рівноваги, також починає витікати з клітки. Як і в попередньому прикладі, обидва іона залишають клітку в рівних кількостях, тягнучи за собою воду. Зниження внутрішньоклітинного рівня калію невелика в процентному відношенні, оскільки початкова його концентрація в клітині висока. Навпаки, зниження внутрішньоклітинного рівня хлору вельми істотно, і він спричиняє за собою значну зміну рівноважного потенціалу для хлору. У міру виходу хлору з клітки значення рівноважного хлорного потенціалу знову наближається до первинного. Процес продовжується до тих пір, поки рівноважні потенціали для хлору і калію не зрівняються і мембранний потенціал не відновить своє колишнє значення

_{Література}

1. Шлегель Г.Г. Історія мікробіології.

2. Лотова Л.І. Морфологія та анатомія вищих рослин.

3. Алексєєв В.І., Камінський В.О. Прикладна молекулярна біологія.

4. Галімов Е.М. Феномен життя. Походження і принципи еволюції.