Как найти потенциал покоя клетки

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Потенциал покоя — это важное явление в жизни всех клеток организма, и важно знать, как он формируется. Однако это сложный динамический процесс, трудный для восприятия целиком, особенно для студентов младших курсов (биологических, медицинских и психологических специальностей) и неподготовленных читателей. Впрочем, при рассмотрении по пунктам, вполне возможно понять его основные детали и этапы. В работе вводится понятие потенциала покоя и выделяются основные этапы его формирования с использованием образных метафор, помогающих понять и запомнить молекулярные механизмы формирования потенциала покоя.

Мембранные транспортные структуры — натрий-калиевые насосы — создают предпосылки для возникновения потенциала покоя. Предпосылки эти — разность в концентрации ионов на внутренней и наружной сторонах клеточной мембраны. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка ионов калия (K⁺) выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны приводит к его утечке из клетки и потере вместе с ними положительных электрических зарядов, за счёт чего значительно усиливается общий отрицательный заряд внутренней поверхности клетки. Эта «калиевая» отрицательность составляет бóльшую часть потенциала покоя (−60 мВ в среднем), а меньшую его часть (−10 мВ) составляет «обменная» отрицательность, вызванная электрогенностью самого ионного насоса-обменника.

Давайте разбираться подробнее.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя и как он возникает?

Вы знаете, что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку» и почему она моментально не разряжается?

Совершенно очевидно, что для понимания того, как работает нервная система, необходимо вначале разобраться, как работает её отдельная нервная клетка — нейрон. Главное, что лежит в основе работы нейрона — это перемещение электрических зарядов через его мембрану и появление вследствие этого на мембране электрических потенциалов. Можно сказать, что нейрон, готовясь к своей нервной работе, вначале запасает энергию в электрической форме, а затем использует ее в процессе проведения и передачи нервного возбуждения.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы — это понять, каким образом появляется электрический потенциал на мембране нервных клеток. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс формированием потенциала покоя.

Определение понятия «потенциал покоя»

В норме, когда нервная клетка находится в физиологическом покое и готова к работе, у неё уже произошло перераспределение электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны. За счёт этого возникло электрическое поле, и на мембране появился электрический потенциал — мембранный потенциал покоя.

Как известно из физики, электрические заряды (движущиеся и неподвижные) формируют в пространстве электромагнитное поле, которое влияет на тела, обладающие электрическим зарядом. С точки зрения электромагнетизма клеточную мембрану можно представить как плоский конденсатор, заполненный однородным диэлектриком из неполярных молекул. Если конденсатор заряжен, то внутри него возникает электрическое поле, обусловленное поверхностной плотностью заряда. На поверхности мембраны возникают некомпенсированные заряды: положительные у «отрицательной» поверхности и отрицательные — у «положительной» [6].

Таким образом, мембрана оказывается поляризованной. Это означает, что она имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Разность между этими потенциалами вполне возможно зарегистрировать.

В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединённый с регистрирующей установкой. Как только электрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около −70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Ещё немного физики. Макроскопические физические тела, как правило, электрически нейтральны, т.е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды. Зарядить тело можно, создав в нем избыток заряженных частиц одного вида, например, трением о другое тело, в котором при этом образуется избыток зарядов противоположного вида. Учитывая наличие элементарного заряда (e), полный электрический заряд любого тела можно представить как q = ±N×e, где N — целое число.

Потенциал электростатического поля φ определяется как отношение потенциальной энергии W пробного заряда q к величине этого заряда: φ = W/q, откуда следует, что потенциал численно равен потенциальной энергии, которой обладает в данной точке поля единичный положительный заряд. Единицей измерения потенциала служит вольт (1 В) [4]. В некоторых случаях потенциал электрического поля нагляднее определяется как физическая величина, численно равная работе внешних сил против сил электрического поля E при перемещении единичного положительного точечного заряда из бесконечности в данную точку. Последнее определение удобно записать следующим образом:

В электрофизиологии кроме потенциала покоя рассматриваются и другие электрические потенциалы: локальные постсинаптические и рецепторные потенциалы (возбуждающие и тормозные), электротонические и следовые потенциалы, миниатюрные потенциалы концевой пластинки, концентрационный потенциал и потенциал действия [5].

Потенциал покоя — это разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его величина измеряется изнутри клетки, она отрицательна и составляет в среднем −70 мВ (милливольт), хотя в разных клетках может быть различной: от −35 мВ до −90 мВ.

Важно учитывать, что в нервной системе электрические заряды представлены не электронами, как в обычных металлических проводах, а ионами — химическими частицами, имеющими электрический заряд. И вообще в водных растворах в виде электрического тока перемещаются не электроны, а ионы. Поэтому все электрические токи в клетках и окружающей их среде — это ионные токи.

Итак, изнутри клетка в покое заряжена отрицательно, а снаружи — положительно. Это свойственно всем живым клеткам, за исключением, разве что, эритроцитов, которые, наоборот, заряжены отрицательно снаружи. Если говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na⁺ и K⁺), а внутри — отрицательные ионы (анионы органических кислот, не способные свободно перемещаться через мембрану, как Na⁺ и K⁺).

Теперь нам всего лишь осталось объяснить, каким же образом всё получилось именно так. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки кроме эритроцитов только снаружи выглядят положительными, а внутри они — отрицательные.

Термин «отрицательность», который мы будем применять для характеристики электрического потенциала внутри клетки, пригодится нам для простоты объяснения изменений уровня потенциала покоя. В этом термине ценно то, что интуитивно понятно следующее: чем больше отрицательность внутри клетки — тем ниже в отрицательную сторону от нуля смещён потенциал, а чем меньше отрицательность — тем ближе отрицательный потенциал к нулю. Это намного проще понять, чем каждый раз разбираться в том, что же именно означает выражение «потенциал возрастает» — возрастание по абсолютному значению (или «по модулю») будет означать смещение потенциала покоя вниз от нуля, а просто «возрастание» — смещение потенциала вверх к нулю. Термин «отрицательность» не создаёт подобных проблем неоднозначности понимания.

Сущность формирования потенциала покоя

Попробуем разобраться, откуда берётся электрический заряд нервных клеток, хотя их никто не трёт, как это делают физики в своих опытах с электрическими зарядами.

Здесь исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя отрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а, наоборот, из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов)!

Так куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это покинувшие клетку и скопившиеся снаружи ионы натрия — Na⁺ — и калия — K⁺.

Главный секрет появления отрицательности внутри клетки

Сразу откроем этот секрет и скажем, что клетка лишается части своих положительных частиц и заряжается отрицательно за счёт двух процессов:

1. вначале она обменивает «свой» натрий на «чужой» калий (да-да, одни положительные ионы на другие, такие же положительные);
2. потом из неё происходит утечка этих «наменянных» положительных ионов калия, вместе с которыми из клетки утекают положительные заряды.

Эти два процесса нам и надо объяснить.

Первый этап создания внутренней отрицательности: обмен Na⁺ на K⁺

В мембране нервной клетки постоянно работают белковые насосы-обменники (аденозинтрифосфатазы, или Na⁺/K⁺-АТФазы), встроенные в мембрану. Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий.

Но ведь при обмене одного положительного заряда (Na⁺) на другой такой же положительный заряд (K⁺) никакого дефицита положительных зарядов в клетке возникать не может! Правильно. Но, тем не менее, из-за этого обмена в клетке остаётся очень мало ионов натрия, потому что они почти все ушли наружу. И в то же время клетка переполняется ионами калия, которые в неё накачали молекулярные насосы. Если бы мы могли попробовать на вкус цитоплазму клетки, мы бы заметили, что в результате работы насосов-обменников она превратилась из солёной в горько-солёно-кислую, потому что солёный вкус хлорида натрия сменился сложным вкусом довольно-таки концентрированного раствора хлорида калия. В клетке концентрация калия достигает 0,4 моль/л. Растворы хлорида калия в пределах 0,009–0,02 моль/л имеют сладкий вкус, 0,03–0,04 — горький, 0,05–0,1 — горько-солёный, а начиная с 0,2 и выше — сложный вкус, состоящий из солёного, горького и кислого [8].

Важно здесь то, что обмен натрия на калий — неравный. За каждые отданные клеткой три иона натрия она получает всего два иона калия. Это приводит к потере одного положительного заряда при каждом акте ионного обмена. Так что уже на этом этапе за счёт неравноценного обмена клетка теряет больше «плюсов», чем получает взамен. В электрическом выражении это составляет примерно −10 мВ отрицательности внутри клетки. (Но помните, что нам надо ещё найти объяснение для оставшихся −60 мВ!)

Чтобы легче было запомнить работу насосов-обменников, образно можно выразиться так: «Клетка любит калий!» Поэтому клетка и затаскивает калий к себе, несмотря на то, что его и так в ней полно. И поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. И поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. (Вот что делает любовь, пусть она даже и не настоящая!)

Кстати, интересно, что клетка не рождается с готовым потенциалом покоя. Ей его ещё надо создать. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от −10 до −70 мВ, т.е. их мембрана становится более отрицательной — поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках костного мозга человека искусственная деполяризация, противодействующая потенциалу покоя и уменьшающая отрицательность клеток, даже ингибировала (угнетала) дифференцировку клеток [1].

Образно говоря, можно выразиться так: Создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью». Это любовь к двум вещам:

1. любовь клетки к калию (поэтому клетка насильно затаскивает его к себе);
2. любовь калия к свободе (поэтому калий покидает захватившую его клетку).

Механизм насыщения клетки калием мы уже объяснили (это работа насосов-обменников), а механизм ухода калия из клетки объясним ниже, когда перейдём к описанию второго этапа создания внутриклеточной отрицательности. Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования потенциала покоя таков:

1. Дефицит натрия (Na⁺) в клетке.
2. Избыток калия (K⁺) в клетке.
3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (−10 мВ).

Можно сказать так: на первом этапе ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Второй этап создания отрицательности: утечка ионов K⁺ из клетки

Итак, что начинается в клетке после того, как с ионами поработают её мембранные натрий-калиевые насосы-обменники?

Из-за образовавшегося дефицита натрия внутри клетки этот ион при каждом удобном случае норовит устремиться внутрь: растворённые вещества всегда стремятся выровнять свою концентрацию во всём объёме раствора. Но это у натрия получается плохо, поскольку ионные натриевые каналы обычно закрыты и открываются только при определённых условиях: под воздействием специальных веществ (трансмиттеров) или при уменьшении отрицательности в клетке (деполяризации мембраны).

В то же время в клетке имеется избыток ионов калия по сравнению с наружной средой — потому что насосы мембраны насильно накачали его в клетку. И он, тоже стремясь уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, норовит, напротив, выйти из клетки. И это у него получается!

Тут ещё важно понять то, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов надо по отдельности рассматривать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно — концентрацию по калию внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это, бывает, делается в учебниках.

По закону выравнивания химических концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку; туда же его влечёт и электрическая сила (как мы помним, цитоплазма заряжена отрицательно). Хотеть-то он хочет, но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Натриевые ионные каналы, имеющиеся в мембране, в норме закрыты. Если все же его заходит немножко, то клетка сразу же обменивает его на наружный калий с помощью своих натрий-калиевых насосов-обменников. Получается, что ионы натрия проходят через клетку как бы транзитом и не задерживаются в ней. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Он выходит наружу через особые каналы в мембране — «калиевые каналы утечки», которые в норме открыты и выпускают калий [5, 7].

К⁺-каналы утечки постоянно открыты при нормальных значениях мембранного потенциала покоя и проявляют взрывы активности при сдвигах мембранного потенциала, которые длятся несколько минут и наблюдаются при всех значениях потенциала. Усиление К⁺-токов утечки ведёт к гиперполяризации мембраны, тогда как их подавление — к деполяризации. …Однако, существование канального механизма, ответственного за токи утечки, долгое время оставалось под вопросом. Только сейчас стало ясно, что калиевая утечка — это ток через специальные калиевые каналы.

От химического — к электрическому

А теперь — ещё раз самое главное. Мы должны осознанно перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов.

Калий (K⁺) положительно заряжен, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только самого себя, но и положительный заряд. За ним изнутри клетки к мембране тянутся «минусы» — отрицательные заряды. Но они не могут просочиться через мембрану — в отличие от ионов калия — т.к. для них нет подходящих ионных каналов, и мембрана их не пропускает. Помните про оставшиеся необъяснёнными нами −60 мВ отрицательности? Это и есть та самая часть мембранного потенциала покоя, которую создаёт утечка ионов калия из клетки! И это — большая часть потенциала покоя.

Для этой составной части потенциала покоя есть даже специальное название — концентрационный потенциал [5]. Концентрационный потенциал — это часть потенциала покоя, созданная дефицитом положительных зарядов внутри клетки, образовавшимся за счёт утечки из неё положительных ионов калия.

Ну, а теперь немного физики, химии и математики для любителей точности.

Электрические силы связаны с химическими по уравнению Гольдмана. Его частным случаем является более простое уравнение Нернста, по формуле которого можно рассчитать трансмембранную диффузионную разность потенциалов на основе различной концентрации ионов одного вида по разные стороны мембраны. Так, зная концентрацию ионов калия снаружи и внутри клетки, можно рассчитать калиевый равновесный потенциал E_K:

где Ек — равновесный потенциал, R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, F — постоянная Фарадея, К⁺_внеш и K⁺_внутр — концентрации ионов К⁺ снаружи и внутри клетки, соответственно. По формуле видно, что для расчёта потенциала между собой сравниваются концентрации ионов одного вида — K⁺.

Более точно итоговая величина суммарного диффузионного потенциала, который создаётся утечкой нескольких видов ионов, рассчитывается по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца. В ней учтено, что потенциал покоя зависит от трех факторов: (1) полярности электрического заряда каждого иона; (2) проницаемости мембраны Р для каждого иона; (3) [концентраций соответствующих ионов] внутри (внутр) и снаружи мембраны (внеш). Для мембраны аксона кальмара в покое отношение проводимостей Р_K : PNa :P_Cl = 1 : 0,04 : 0,45 [5].

Заключение

Итак, поте нциал покоя состоит из двух частей:

1. −10 мВ, которые получаются от «несимметричной» работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает из клетки положительных зарядов (Na⁺), чем закачивает обратно с калием).
2. Вторая часть — это всё время утекающий из клетки калий, уносящий положительные заряды. Его вклад — основной: −60 мВ. В сумме это и дает искомые −70 мВ.

Что интересно, калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход уравниваются) только при уровне отрицательности клетки −90 мВ. В этом случае сравняются химические и электрические силы, проталкивающие калий через мембрану, но направляющие его в противоположные стороны. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который несёт с собой положительные заряды и уменьшает отрицательность, за которую «борется» калий. И в итоге в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне −70 мВ.

Вот теперь мембранный потенциал покоя окончательно сформирован.

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels. J Cell Biol. 153, 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Role of an inward rectifier K⁺ current and of hyperpolarization in human myoblast fusion. J. Physiol. 510, 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells. PLoS ONE. 3, e3737;
4. Павловская М.В. и Мамыкин А.И. Электростатика. Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Постоянный ток / Электронное пособие по общему курсу физики. СПб: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет;
5. Ноздрачёв А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А., Батуев А.С. и др. Начала физиологии: Учебник для вузов / Под ред. акад. А.Д. Ноздрачёва. СПб: Лань, 2001. — 1088 с.;
6. Макаров А.М. и Лунева Л.А. Основы электромагнетизма / Физика в техническом университете. Т. 3;
7. Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология). Казань: Арт-кафе, 2010. — 271 с.;
8. Родина Т.Г. Сенсорный анализ продовольственных товаров. Учебник для студентов вузов. М.: Академия, 2004. — 208 с.;
9. Кольман Я. и Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004. — 469 с.;
10. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2000. — 277 с..

1. Потенциал покоя, его происхождение и ионные механизмы.

О
состоянии покоя в возбудимых тканях
говорят в том случае, когда на ткань не
действует раздражитель из внешней или
внутренней среды. При этом наблюдается
относительно постоянный уровень
метаболизма, нет видимого функционального
отправления ткани.

Мембранный
потенциал (или потенциал покоя) – это
разность потенциалов между наружной и
внутренней поверхностью мембраны в
состоянии относительного физиологического
покоя. Потенциал покоя возникает в
результате двух причин:

1)
неодинакового распределения ионов по
обе стороны мембраны. Внутри клетки
находится больше всего ионов К, снаружи
его мало. Ионов Na и ионов Cl больше снаружи,
чем внутри. Такое распределение ионов
называется ионной асимметрией;

2)
избирательной проницаемости мембраны
для ионов. В состоянии покоя мембрана
неодинаково проницаема для различных
ионов. Клеточная мембрана проницаема
для ионов K, малопроницаема для ионов
Na и непроницаема для органических
веществ.

За
счет этих двух факторов создаются
условия для движения ионов. Это движение
осуществляется без затрат энергии путем
пассивного транспорта – диффузией в
результате разности концентрации ионов.
Ионы K выходят из клетки и увеличивают
положительный заряд на наружной
поверхности мембраны, ионы Cl пассивно
переходят внутрь клетки, что приводит
к увеличению положительного заряда на
наружной поверхности клетки. Ионы Na
накапливаются на наружной поверхности
мембраны и увеличивают ее положительный
заряд. Органические соединения остаются
внутри клетки. В результате такого
движения наружная поверхность мембраны
заряжается положительно, а внутренняя
– отрицательно. Внутренняя поверхность
мембраны может не быть абсолютно
отрицательно заряженной, но она всегда
заряжена отрицательно по отношению к
внешней. Такое состояние клеточной
мембраны называется состоянием
поляризации. Движение ионов продолжается
до тех пор, пока не уравновесится разность
потенциалов на мембране, т. е. не наступит
электрохимическое равновесие. Момент
равновесия зависит от двух сил:

1)
силы диффузии;

2)
силы электростатического взаимодействия.

Значение
электрохимического равновесия:

1)
поддержание ионной асимметрии;

2)
поддержание величины мембранного
потенциала на постоянном уровне.

В
возникновении мембранного потенциала
участвуют сила диффузии (разность
концентрации ионов) и сила электростатического
взаимодействия, поэтому мембранный
потенциал называется
концентрационно-электрохимическим.

Для
поддержания ионной асимметрии
электрохимического равновесия
недостаточно. В клетке имеется другой
механизм – натрий-калиевый насос.
Натрий-калиевый насос – механизм
обеспечения активного транспорта ионов.
В клеточной мембране имеется система
переносчиков, каждый из которых связывает
три иона Na, которые находятся внутри
клетки, и выводит их наружу. С наружной
стороны переносчик связывается с двумя
ионами K, находящимися вне клетки, и
переносит их в цитоплазму. Энергия
берется при расщеплении АТФ. Работа
натрий-калиевого насоса обеспечивает:

1)
высокую концентрацию ионов К внутри
клетки, т. е. постоянную величину
потенциала покоя;

2)
низкую концентрацию ионов Na внутри
клетки, т. е. сохраняет нормальную
осмолярность и объем клетки, создает
базу для генерации потенциала действия;

3)
стабильный концетрационный градиент
ионов Na, способствуя транспорту
аминокислот и сахаров.

1. Потенциал
   действия, его фазы. + 6.
   Происхождение фаз потенциала действия.

Потенциал
действия –
это скачкообразное изменение постоянного
мембранного потенциала с отрицательной
поляризации на положительную и обратно.

При
действии порогового или сверхпорогового
раздражителя изменяется проницаемость
клеточной мембраны для ионов в различной
степени. Для ионов Na она повышается в
400–500 раз, и градиент нарастает быстро,
для ионов К – в 10–15 раз, и градиент
развивается медленно. В результате
движение ионов Na происходит внутрь
клетки, ионы К двигаются из клетки, что
приводит к перезарядке клеточной
мембраны. Наружная поверхность мембраны
несет отрицательный заряд, внутренняя
– положительный.

Потенциал
действия —
это быстрое колебание мембранного
потенциала возникающее при возбуждении
мембраны. Фазы:  1)
медленная деполяризация (так
же локальный ответ) — возникает вследствие
увеличение проницаемости мембраны для
ионов натрия. Под пороговый стимул
недостаточен, чтобы вызвать быструю
деполяризацию сразу. Длительность фазы
зависит от силы раздражителя. 2)
быстрая деполяризация —
характеризуется быстрым уменьшением
мембранного потенциала и даже перезарядкой
мембраны (овершут): внутренняя ее часть
на некоторое время становится заряженной
положительно, а внешняя отрицательно.
Это происходит вследствие лавинообразно
по ступающего натрия внутрь клетки. В
отличие от локального ответа скорость
и величина деполяризации не зависит от
силы раздражителя. Продолжительность
фазы деполяризации в нервном волокне
лягушки составляет около 0.2 — 0.5 мс. 3)
реполяризация (продолжительность
0.5-0.8 мс) — мембранный потенциал постепенно
восстанавливается и достигает 75 — 85%
потенциала покоя.  2 и 3 фазы называются
пиком потенциала действия. 4)
следовая деполяризация —
является продолжением фазы реполяризации
и характеризуется более медленным (по
сравнению с фазой реполяризации)
восстановлением потенциала покоя  5)
следовая гиперполяризация —
представляет собой временное увеличение
мембранного потенциала выше исходного
уровня.  4 и 5 фазу называют следовыми

Соседние файлы в предмете Физиология человека

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

A relatively static membrane potential which is usually referred to as the ground value for trans-membrane voltage.

The relatively static membrane potential of quiescent cells is called the resting membrane potential (or resting voltage), as opposed to the specific dynamic electrochemical phenomena called action potential and graded membrane potential.

Apart from the latter two, which occur in excitable cells (neurons, muscles, and some secretory cells in glands), membrane voltage in the majority of non-excitable cells can also undergo changes in response to environmental or intracellular stimuli. The resting potential exists due to the differences in membrane permeabilities for potassium, sodium, calcium, and chloride ions, which in turn result from functional activity of various ion channels, ion transporters, and exchangers. Conventionally, resting membrane potential can be defined as a relatively stable, ground value of transmembrane voltage in animal and plant cells.

Because the membrane permeability for potassium is much higher than that for other ions, and because of the strong chemical gradient for potassium, potassium ions flow from the cytosol into the extracellular space carrying out positive charge, until their movement is balanced by build-up of negative charge on the inner surface of the membrane. Again, because of the high relative permeability for potassium, the resulting membrane potential is almost always close to the potassium reversal potential. But in order for this process to occur, a concentration gradient of potassium ions must first be set up. This work is done by the ion pumps/transporters and/or exchangers and generally is powered by ATP.

In the case of the resting membrane potential across an animal cell’s plasma membrane, potassium (and sodium) gradients are established by the Na⁺/K⁺-ATPase (sodium-potassium pump) which transports 2 potassium ions inside and 3 sodium ions outside at the cost of 1 ATP molecule. In other cases, for example, a membrane potential may be established by acidification of the inside of a membranous compartment (such as the proton pump that generates membrane potential across synaptic vesicle membranes).^{[citation needed]}

Electroneutrality[edit]

In most quantitative treatments of membrane potential, such as the derivation of Goldman equation, electroneutrality is assumed; that is, that there is no measurable charge excess on either side of the membrane. So, although there is an electric potential across the membrane due to charge separation, there is no actual measurable difference in the global concentration of positive and negative ions across the membrane (as it is estimated below), that is, there is no actual measurable charge excess on either side. That occurs because the effect of charge on electrochemical potential is hugely greater than the effect of concentration so an undetectable change in concentration creates a great change in electric potential.^{[citation needed]}

Generation of the resting potential[edit]

Cell membranes are typically permeable to only a subset of ions. These usually include potassium ions, chloride ions, bicarbonate ions, and others. To simplify the description of the ionic basis of the resting membrane potential, it is most useful to consider only one ionic species at first, and consider the others later. Since trans-plasma-membrane potentials are almost always determined primarily by potassium permeability, that is where to start.

• Panel 1 of the diagram shows a diagrammatic representation of a simple cell where a concentration gradient has already been established. This panel is drawn as if the membrane has no permeability to any ion. There is no membrane potential because despite there being a concentration gradient for potassium, there is no net charge imbalance across the membrane. If the membrane were to become permeable to a type of ion that is more concentrated on one side of the membrane, then that ion would contribute to membrane voltage because the permeant ions would move across the membrane with net movement of that ion type down the concentration gradient. There would be net movement from the side of the membrane with a higher concentration of the ion to the side with lower concentration. Such a movement of one ion across the membrane would result in a net imbalance of charge across the membrane and a membrane potential. This is a common mechanism by which many cells establish a membrane potential.
• In panel 2 of the diagram, the cell membrane has been made permeable to potassium ions, but not the anions (An⁻) inside the cell. These anions are mostly contributed by protein. There is energy stored in the potassium ion concentration gradient that can be converted into an electrical gradient when potassium (K⁺) ions move out of the cell. Note that potassium ions can move across the membrane in both directions but by the purely statistical process that arises from the higher concentration of potassium ions inside the cell, there will be more potassium ions moving out of the cell. Because there is a higher concentration of potassium ions inside the cells, their random molecular motion is more likely to encounter the permeability pore (ion channel) that is the case for the potassium ions that are outside and at a lower concentration. An internal K⁺ is simply «more likely» to leave the cell than an extracellular K⁺ is to enter it. It is a matter of diffusion doing work by dissipating the concentration gradient. As potassium leaves the cell, it is leaving behind the anions. Therefore, a charge separation is developing as K⁺ leaves the cell. This charge separation creates a transmembrane voltage. This transmembrane voltage is the membrane potential. As potassium continues to leave the cell, separating more charges, the membrane potential will continue to grow. The length of the arrows (green indicating concentration gradient, red indicating voltage), represents the magnitude of potassium ion movement due to each form of energy. The direction of the arrow indicates the direction in which that particular force is applied. Thus, the building membrane voltage is an increasing force that acts counter to the tendency for net movement of potassium ions down the potassium concentration gradient.
• In Panel 3, the membrane voltage has grown to the extent that its «strength» now matches the concentration gradients. Since these forces (which are applied to K⁺) are now the same strength and oriented in opposite directions, the system is now in equilibrium. Put another way, the tendency of potassium to leave the cell by running down its concentration gradient is now matched by the tendency of the membrane voltage to pull potassium ions back into the cell. K⁺ continues to move across the membrane, but the rate at which it enters and leaves the cell are the same, thus, there is no net potassium current. Because the K⁺ is at equilibrium, membrane potential is stable, or «resting» (E_K).

The resting voltage is the result of several ion-translocating enzymes (uniporters, cotransporters, and pumps) in the plasma membrane, steadily operating in parallel, whereby each ion-translocator has its characteristic electromotive force (= reversal potential = ‘equilibrium voltage’), depending on the particular substrate concentrations inside and outside (internal ATP included in case of some pumps). H⁺ exporting ATPase render the membrane voltage in plants and fungi much more negative than in the more extensively investigated animal cells, where the resting voltage is mainly determined by selective ion channels.

In most neurons the resting potential has a value of approximately −70 mV. The resting potential is mostly determined by the concentrations of the ions in the fluids on both sides of the cell membrane and the ion transport proteins that are in the cell membrane. How the concentrations of ions and the membrane transport proteins influence the value of the resting potential is outlined below.

The resting potential of a cell can be most thoroughly understood by thinking of it in terms of equilibrium potentials. In the example diagram here, the model cell was given only one permeant ion (potassium). In this case, the resting potential of this cell would be the same as the equilibrium potential for potassium.

However, a real cell is more complicated, having permeabilities to many ions, each of which contributes to the resting potential. To understand better, consider a cell with only two permeant ions, potassium, and sodium. Consider a case where these two ions have equal concentration gradients directed in opposite directions, and that the membrane permeabilities to both ions are equal. K⁺ leaving the cell will tend to drag the membrane potential toward E_K. Na⁺ entering the cell will tend to drag the membrane potential toward the reversal potential for sodium E_Na. Since the permeabilities to both ions were set to be equal, the membrane potential will, at the end of the Na⁺/K⁺ tug-of-war, end up halfway between E_Na and E_K. As E_Na and E_K were equal but of opposite signs, halfway in between is zero, meaning that the membrane will rest at 0 mV.

Note that even though the membrane potential at 0 mV is stable, it is not an equilibrium condition because neither of the contributing ions is in equilibrium. Ions diffuse down their electrochemical gradients through ion channels, but the membrane potential is upheld by continual K⁺ influx and Na⁺ efflux via ion transporters. Such situation with similar permeabilities for counter-acting ions, like potassium and sodium in animal cells, can be extremely costly for the cell if these permeabilities are relatively large, as it takes a lot of ATP energy to pump the ions back. Because no real cell can afford such equal and large ionic permeabilities at rest, resting potential of animal cells is determined by predominant high permeability to potassium and adjusted to the required value by modulating sodium and chloride permeabilities and gradients.

In a healthy animal cell Na⁺ permeability is about 5% of the K⁺ permeability or even less, whereas the respective reversal potentials are +60 mV for sodium (E_Na)and −80 mV for potassium (E_K). Thus the membrane potential will not be right at E_K, but rather depolarized from E_K by an amount of approximately 5% of the 140 mV difference between E_K and E_Na. Thus, the cell’s resting potential will be about −73 mV.

In a more formal notation, the membrane potential is the weighted average of each contributing ion’s equilibrium potential. The size of each weight is the relative conductance of each ion. In the normal case, where three ions contribute to the membrane potential:

,

where

• E_m is the membrane potential, measured in volts
• E_X is the equilibrium potential for ion X, also in volts
• g_X/g_tot is the relative conductance of ion X, which is dimensionless
• g_tot is the total conductance of all permeant ions in arbitrary units (e.g. siemens for electrical conductance), in this case g_K⁺ + g_Na⁺ + g_Cl⁻

Membrane transport proteins[edit]

For determination of membrane potentials, the two most important types of membrane ion transport proteins are ion channels and ion transporters. Ion channel proteins create paths across cell membranes through which ions can passively diffuse without direct expenditure of metabolic energy. They have selectivity for certain ions, thus, there are potassium-, chloride-, and sodium-selective ion channels. Different cells and even different parts of one cell (dendrites, cell bodies, nodes of Ranvier) will have different amounts of various ion transport proteins. Typically, the amount of certain potassium channels is most important for control of the resting potential (see below). Some ion pumps such as the Na+/K+-ATPase are electrogenic, that is, they produce charge imbalance across the cell membrane and can also contribute directly to the membrane potential. Most pumps use metabolic energy (ATP) to function.

Equilibrium potentials[edit]

For most animal cells potassium ions (K⁺) are the most important for the resting potential.^[1] Due to the active transport of potassium ions, the concentration of potassium is higher inside cells than outside. Most cells have potassium-selective ion channel proteins that remain open all the time. There will be net movement of positively charged potassium ions through these potassium channels with a resulting accumulation of excess negative charge inside of the cell. The outward movement of positively charged potassium ions is due to random molecular motion (diffusion) and continues until enough excess negative charge accumulates inside the cell to form a membrane potential which can balance the difference in concentration of potassium between inside and outside the cell. «Balance» means that the electrical force (potential) that results from the build-up of ionic charge, and which impedes outward diffusion, increases until it is equal in magnitude but opposite in direction to the tendency for outward diffusive movement of potassium. This balance point is an equilibrium potential as the net transmembrane flux (or current) of K⁺ is zero. A good approximation for the equilibrium potential of a given ion only needs the concentrations on either side of the membrane and the temperature. It can be calculated using the Nernst equation:

where

• E_eq,K⁺ is the equilibrium potential for potassium, measured in volts
• R is the universal gas constant, equal to 8.314 joules·K⁻¹·mol⁻¹
• T is the absolute temperature, measured in kelvins (= K = degrees Celsius + 273.15)
• z is the number of elementary charges of the ion in question involved in the reaction
• F is the Faraday constant, equal to 96,485 coulombs·mol⁻¹ or J·V⁻¹·mol⁻¹
• [K⁺]_o is the extracellular concentration of potassium, measured in mol·m⁻³ or mmol·l⁻¹
• [K⁺]_i is likewise the intracellular concentration of potassium

Potassium equilibrium potentials of around −80 millivolts (inside negative) are common. Differences are observed in different species, different tissues within the same animal, and the same tissues under different environmental conditions. Applying the Nernst Equation above, one may account for these differences by changes in relative K⁺ concentration or differences in temperature.

For common usage the Nernst equation is often given in a simplified form by assuming typical human body temperature (37 °C), reducing the constants and switching to Log base 10. (The units used for concentration are unimportant as they will cancel out into a ratio). For Potassium at normal body temperature one may calculate the equilibrium potential in millivolts as:

Likewise the equilibrium potential for sodium (Na⁺) at normal human body temperature is calculated using the same simplified constant. You can calculate E assuming an outside concentration, [K⁺]_o, of 10mM and an inside concentration, [K⁺]_i, of 100mM. For chloride ions (Cl⁻) the sign of the constant must be reversed (−61.54 mV). If calculating the equilibrium potential for calcium (Ca²⁺) the 2+ charge halves the simplified constant to 30.77 mV. If working at room temperature, about 21 °C, the calculated constants are approximately 58 mV for K⁺ and Na⁺, −58 mV for Cl⁻ and 29 mV for Ca²⁺. At physiological temperature, about 29.5 °C, and physiological concentrations (which vary for each ion), the calculated potentials are approximately 67 mV for Na⁺, −90 mV for K⁺, −86 mV for Cl⁻ and 123 mV for Ca²⁺.

Resting potentials[edit]

The resting membrane potential is not an equilibrium potential as it relies on the constant expenditure of energy (for ionic pumps as mentioned above) for its maintenance. It is a dynamic diffusion potential that takes this mechanism into account—wholly unlike the pillows equilibrium potential, which is true no matter the nature of the system under consideration. The resting membrane potential is dominated by the ionic species in the system that has the greatest conductance across the membrane. For most cells this is potassium. As potassium is also the ion with the most negative equilibrium potential, usually the resting potential can be no more negative than the potassium equilibrium potential. The resting potential can be calculated with the Goldman-Hodgkin-Katz voltage equation using the concentrations of ions as for the equilibrium potential while also including the relative permeabilities of each ionic species. Under normal conditions, it is safe to assume that only potassium, sodium (Na⁺) and chloride (Cl⁻) ions play large roles for the resting potential:

This equation resembles the Nernst equation, but has a term for each permeant ion. Also, z has been inserted into the equation, causing the intracellular and extracellular concentrations of Cl⁻ to be reversed relative to K⁺ and Na⁺, as chloride’s negative charge is handled by inverting the fraction inside the logarithmic term. *E_m is the membrane potential, measured in volts *R, T, and F are as above *P_s is the relative permeability of ion s *[s]_Y is the concentration of ion s in compartment Y as above. Another way to view the membrane potential, considering instead the conductance of the ion channels rather than the permeability of the membrane, is using the Millman equation (also called the Chord Conductance Equation):

or reformulated

where g_tot is the combined conductance of all ionic species, again in arbitrary units. The latter equation portrays the resting membrane potential as a weighted average of the reversal potentials of the system, where the weights are the relative conductances of each ion species (g_X/g_tot). During the action potential, these weights change. If the conductances of Na⁺ and Cl⁻ are zero, the membrane potential reduces to the Nernst potential for K⁺ (as g_K⁺ = g_tot). Normally, under resting conditions g_Na+ and g_Cl− are not zero, but they are much smaller than g_K+, which renders E_m close to E_eq,K+. Medical conditions such as hyperkalemia in which blood serum potassium (which governs [K⁺]_o) is changed are very dangerous since they offset E_eq,K+, thus affecting E_m. This may cause arrhythmias and cardiac arrest. The use of a bolus injection of potassium chloride in executions by lethal injection stops the heart by shifting the resting potential to a more positive value, which depolarizes and contracts the cardiac cells permanently, not allowing the heart to repolarize and thus enter diastole to be refilled with blood.

Although the GHK voltage equation and Millman’s equation are related, they are not equivalent. The critical difference is that Millman’s equation assumes the current-voltage relationship to be ohmic, whereas the GHK voltage equation takes into consideration the small, instantaneous rectifications predicted by the GHK flux equation caused by the concentration gradient of ions. Thus, a more accurate estimate of membrane potential can be calculated using the GHK equation than with Millman’s equation.^[2]

Measuring resting potentials[edit]

In some cells, the membrane potential is always changing (such as cardiac pacemaker cells). For such cells there is never any «rest» and the «resting potential» is a theoretical concept. Other cells with little in the way of membrane transport functions that change with time have a resting membrane potential that can be measured by inserting an electrode into the cell.^[3] Transmembrane potentials can also be measured optically with dyes that change their optical properties according to the membrane potential.

Summary of resting potential values in different types of cells[edit]

Cell types	Resting potential
Skeletal muscle cells	-95 mV[4]
Astroglia	-80 to -90 mV
Neurons	-60 to -70 mV[5]
Smooth muscle cells	-60 mV
Aorta Smooth muscle tissue	-45mV[5]
Photoreceptor cells	-40 mV
Hair cell (Cochlea)	-15 to -40mV[6]
Erythrocytes	-8.4 mV[7]
Chondrocytes	-8mV[5]

History[edit]

Resting currents in nerves were measured and described by Julius Bernstein in 1902 where he proposed a «Membrane Theory» that explained the resting potential of nerve and muscle as a diffusion potential.^[8]

See also[edit]

• Action potential
• Depolarization
• Hyperpolarization (biology)
• Membrane potential

References[edit]

External links[edit]

• Neuroscience — online textbook by Purves, et al.
• Basic Neurochemistry Molecular, Cellular, and Medical Aspects by Siegel, et al.
• Bertil Hille Ion channels of excitable membranes, 3rd ed., Sinauer Associates, Sunderland, MA (2001). ISBN 0-87893-321-2
• Wright, SH (2004). «Generation of resting membrane potential». Adv Physiol Educ. 28 (1–4): 139–42. doi:10.1152/advan.00029.2004. PMID 15545342. S2CID 5009629.
• Resting Membrane Potential — Online lecture notes on the resting membrane potential
• The Origin of the Resting Membrane Potential — Online interactive tutorial

Потенциа́л поко́я (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^[1]. У нейронов и нервных волокон обычно составляет -70 мВ. Измеряется изнутри клетки.

История открытия

В 1902 г. Ю. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К⁺, и они накапливаются в цитоплазме. Расчет величины потенциала покоя по уравнению Нернста для калиевого электрода удовлетворительно совпал с измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около — 70 мВ.

Согласно теории Ю. Бернштейна, при возбуждении клетки её мембрана повреждается, и ионы К⁺ вытекают из клетки по концентрационному градиенту до тех пор, пока потенциал мембраны не становится равным нулю. Затем мембрана восстанавливает свою целостность, и потенциал возвращается к уровню потенциала покоя. Это утверждение, относящееся скорее к потенциалу действия, было опровергнуто Ходжкином и Хаксли в 1939 году.

Теорию Бернштейна касательно потенциала покоя подтвердил Кеннет Стюарт Коул (Kenneth Stewart Cole), иногда его инициалы ошибочно пишут как K.C. Cole, из-за его прозвища, Кейси («Kacy»). ПП и ПД изображены на известной иллюстрации Коула и Curtis, 1939. Этот рисунок стал эмблемой Membrane Biophysics Group of the Biophysical Society (см. иллюстрацию).

Общие положения

Для того, чтобы на мембране поддерживалась разность потенциалов, необходимо, чтобы была определенная разность концентрации различных ионов внутри и снаружи клетки.

Концентрации ионов в клетке скелетной мышцы и во внеклеточной среде

Ионы	Концентрация в саркоплазме (ммоль)	Концентрация вне клетки (ммоль)
K+	140	2,5
Na+	10	120
Cl—	3-4	120
Ca2+	<0,001	2
A— (полипептиды)	140	0

С помощью уравнения Нернста можно рассчитать равновесный трансмембранный потенциал для K⁺, который и определяет значение ПП. Но значение потенциала покоя полностью не совпадает с EK+, так как в создании его участвуют также ионы натрия и хлора, вернее, их равновесные потенциалы.

Впоследствии 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

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.

См. также

• Потенциал действия

Примечания

Ссылки

Дудель Й., Рюэгг Й., Шмидт Р. и др. Физиология человека: в 3-х томах. Пер. с англ / под ред Р. Шмидта и Г. Тевса. — 3. — М.: Мир, 2007. — Т. 1. — 323 с илл. с. — 1500 экз. — ISBN 5-03-000575-3. (см. ISBN )

• Мембранный потенциал покоя кратко

Краткое описание: 

Введение

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя?

Что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку»?

— На эти вопросы мы сможем ответить, если узнаем, как клетка за счёт перераспределения электрических зарядов (заряженных частиц — ионов) создаёт себе  электрический потенциал на мембране.

Как работает нервная система? С чего в ней всё начинается? Откуда в ней берётся электричество для нервных импульсов?

— На эти вопросы мы также сможем ответить, если узнаем, как нервная клетка создаёт себе электрический потенциал на мембране.

Итак, понимание того, как работает нервная система, начинается с того, что надо разобраться, как работает отдельная нервная клетка — нейрон.

В основе работы нейрона с нервными импульсами лежит перераспределение электрических зарядов на его мембране и изменение величины электрических потенциалов. Но чтобы потенциал изменять, его нужно для начала иметь. Поэтому можно сказать, что нейрон, готовясь к cвоей нервной работе, создаёт на своей мембране электрический потенциал, как возможность для такой работы.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы — это понять, каким образом перемещаются электрические заряды в нервных клетках и как за счёт этого на мембране появляется электрический потенцил. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс появления электрического потенциала у нейронов — формирование потенциала покоя.

Определение

В норме, когда клетка готова к работе, у неё уже есть электрический потенциал на поверхности мембраны. Он называется мембранный потенциал покоя.

Потенциал покоя — это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его средняя величина составляет -70 мВ (милливольт).

«Потенциал» — это возможность, он сродни понятию «потенция». Электрический потенциал мембраны — это её возможности по перемещению электрических зарядов, положительных или отрицательных. В роли зарядов выступают заряженные химические частицы — ионы натрия и калия, а также кальция и хлора. Из них только ионы хлора заряжены отрицательно (-), а остальные — положительно (+).

Таблица 1. Физико-химические свойства ионов натрия и калия

Ион	Радиус, Å	Координационное число	Равновесный потенциал, мВ	Предельная температура гидратации, ºС
Na+	0,98	6-8	+60	+20
K+	1,33	6	-94	+70

По таблице видно, что натрий и калий в ионизированном состоянии не отличаются друг от друга по заряду, мало отличаются по размеру и числу создаваемых ими координационных связей, но существенно отличаются по величине предельной температуры, то есть той температуры, выше которой разрешена их гидратация (Т_пред). Для натрия она составляет +20°С, а для калия +70°С. Таким образом, по крайней мере в диапазоне температур выше +20°С, в котором функционируют большинство живых организмов, натрий легко взаимодействует с молекулами воды, образуя гидратную оболочку, а калий отталкивает воду. Поскольку гидратированный ион натрия близок по размерам к негидратированному иону калия, то в водных растворах ни по заряду, ни по размерам эти ионы не отличаются друг от друга, и наиболее существенным различием для их различения является величина гидрофобности. Количественно эта величина может быть выражена энергией гидратации, которая при комнатной температуре составляет для натрия +1,03 кДж/моль, а для калия – -1,05 кДж/моль. Очевидно, что биологические молекулы могут использовать именно этот параметр для отбора и распознавания этих двух ионов. В частности, липиды хорошо различают Na⁺и К⁺, вероятно, именно благодаря различиям в их гидрофобности. Если, например, приготовить пузырьки-везикулы из смеси природных липидов (такой упрощенный прообраз клеточных везикул называют липосомами), то оказывается, что скорость простой диффузии через их мембраны будет в 3–7 раз выше для калия, чем для натрия (в зависимости от состава липидов, ионной силы и других условий). Так что в обычных условиях натрию всегда труднее, чем калию, перемещаться через клеточную мембрану. А клетке, соответственно, легче сдерживать перемещение через её мембрану натрия, чем калия. Калий неудержим!

Однако, и Na⁺, и К⁺потенциально способны перемещаться под действием электрических сил туда, где преобладают не положительные, а отрицательные электрические заряды (отрицательно заряженные частицы — анионы).

Итак, имея электрический потенциал, мембрана может перемещать в клетку или из клетки указанные выше заряженные ионы с помощью электрических сил.

Важно понимать, что в нервной системе электрические заряды создаются не электронами, как в металлических проводах, а ионами — химическими частицами, имеющими электрический заряд. Электрический ток в организме и его клетках — это поток ионов, а не электронов, как в проводах. Обратите также внимание на то, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи.

Если говорить уж совсем примитивно просто, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать «плюсики», т.е. положительно заряженные ионы, а внутри — «минусики», т.е. отрицательно заряженные ионы. Можно сказать, что внутри клетка электроотрицательна. И теперь нам всего лишь надо объяснить, как это так получилось. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки — отрицательные «персонажи». ((

 Сущность

Сущность потенциала покоя — это преобладание на внутренней стороне мембраны отрицательных электрических зарядов в виде анионов и недостаток положительных электрических зарядов в виде катионов, которые сосредотачиваются на её наружной стороне, а не на внутренней.

Внутри клетки — «отрицательность», а снаружи — «положительность».

Такое положение вещей достигается с помощью трёх явлений: (1) поведения мембраны, (2) поведения положительных ионов калия и натрия и (3) соотношения химической и электрической силы.

1. Поведение мембраны

В поведении мембраны для потенциала покоя важны три процесса:

1) Обмен внутренних ионов натрия на наружные ионы калия. Обменом занимаются специальные транспортные структуры мембраны: ионные насосы-обменники. Таким способом мембрана перенасыщает клетку калием, но обедняет натрием.

2) Открытые калиевые ионные каналы. Через них калий может как заходить в клетку, так и выходить из неё. Он выходит в основном.

3) Закрытые натриевые ионные каналы. Из-за этого натрий, выведенный из клетки насосми-обменниками, не может вернуться в неё обратно. Натриевые каналы открываются только при особых условиях — и тогда потенциал покоя нарушается и смещается в сторону нуля (это называется деполяризацией мембраны, т.е. уменьшением полярности).

2. Поведение ионов калия и натрия

Ионы калия и натрия по-разному перемещаются через мембрану:

1) Через ионные насосы-обменники натрий насильно выводится из клетки, а калий затаскивается в клетку.

2) Через постоянно открытые калиевые каналы калий выходит из клетки, но может и возвращаться в неё обратно через них же.

3) Натрий «хочет» войти в клетку, но «не может», т.к. каналы для него закрыты.

3. Соотношение химической и электрической силы

По отношению к ионам калия между химической и электрической силой устанавливается равновесие на уровне — 70 мВ.

1) Химическая сила выталкивает калий из клетки, но стремится затянуть в неё натрий.

2) Электрическая сила стремится затянуть в клетку любые положительно заряженные ионы (как натрий, так и калий).

Формирование потенциала покоя

 Попробую рассказать коротко, откуда берётся мембранный потенциал покоя в нервных клетках — нейронах. Ведь, как всем теперь известно, наши клетки только снаружи положительные, а внутри они весьма отрицательные, и в них существует избыток отрицательных частиц — анионов и недостаток положительных частиц — катионов.

И вот тут исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя электроотрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а наоборот — из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов).

И поэтому сущность нашего рассказа будет заключаться не в том, что мы объясним, откуда берутся отрицательные частицы в клетке, а в том, что мы объясним, каким образом в нейронах получается дефицит положительно заряженных ионов — катионов.

Куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это ионы натрия — Na⁺ и калия — K⁺. Удивительно, но оба этих иона покидают клетку, хотя и разными путями.

С чего начать, чтобы не сбиться и не запутаться? Начнём с калия.

Чтобы легче было запомнить, образно можно сказать так:

«Клетка любит калий!»

или: «клетка копит калий!» (К⁺)

и «ненавидит натрий» (Na⁺).

И что же она, клетка, делает с этими ионами? Она их обменивает друг на друга! С помощью специального обменного насоса.

Натрий-калиевый насос

Дело заключается в том, что в мембране нервной клетки постоянно работают насосы-обменники, образованные специальными белками, встроенными в мембрану. Что они делают? Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий. Из-за этого в клетке оказывается в конце концов недостаток натрия, который ушёл на обмен. И в то же время клетка переполняется ионами калия, который в неё натащили эти молекулярные насосы.

Итак: «Клетка любит калий!« (Хотя об истинной любви здесь, разумеется, не может идти и речи!) Поэтому она и затаскивает калий в себя, несмотря на то, что его итак уже полно. Поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия (любимого). Поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. Вот что делает любовь, пусть даже не настоящая!

Кстати, интересно, что клетка не рождается с потенциалом покоя в готовом виде. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов при формировании мышечного волокна потенциал их мембраны изменяется от -10 до -70 mV, т.е. их мембрана становится более электроотрицательной, она поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках (ММСК) костного мозга человека искусственная деполяризация ингибировала дифференцировку клеток (Fischer-Lougheed J., Liu J.H., Espinos E. et al. Human myoblast fusion requires expression of functional inward rectifier Kir2.1 channels. Journal of Cell Biology 2001; 153: 677-85; Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. Role of an inward rectifier K+ current and of hyperpolarization in human myoblast fusion. Journal of Physiology 1998; 510: 467-76; Sundelacruz S., Levin M., Kaplan D.L. Membrane potential controls adipogenic and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Plos One 2008; 3).

Образно говоря, можно выразиться так:

Создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью».

Это любовь к двум вещам:

1) любовь клетки к калию,

2) любовь калия к свободе.

Как ни странно, но результат этих двух видов любви — пустота!

Именно она, пустота, создаёт в клетке отрицательный электрический потенциал — потенциал покоя. Точнее, отрицательный потенциал создают пустые места, оставшиеся от убежавшего из клетки калия.

Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников таков:

Натрий-калиевый ионный насос-обменник создаёт три потенциала (возможности):

1. Электрический потенциал — возможность притягивать внутрь клетки любые положительно заряженные частицы (ионы).

2. Ионный натриевый химический потенциал — возможность затягивать внутрь клетки ионы натрия (и именно натрия, а не какого-нибудь другого вещества).

3. Ионный калиевый химический потенциал — возможновть выталкивать из клетки ионы калия (и именно калия, а не какого-нибудь другого вещества).

4. Дефицит натрия (Na⁺) в клетке.

5. Избыток калия (K⁺) в клетке.

Можно сказать так: ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Именно из-за получившегося дефицита натрия в клетку теперь «полезет» этот самый натрий снаружи. Так всегда ведут себя вещества: они стремятся выровнять свою концентрацию во всём объёме раствора.

И в то же время в клетке получился избыток ионов калия по сравнению с наружной средой. Потому что насосы мембраны накачали его в клетку. И он стремится уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, и поэтому стремится выйти из клетки.

Тут ещё важно понять, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов в клетке надо по-отдельности сравнивать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно — концентрацию калия внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это часто делается в учебниках.

По закону выравнивания концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку. Но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Его заходит немножко, и клетка его опять тут же обменивает на наружный калий. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Так вот он и выходит наружу через особые белковые дырочки в мембране (ионные каналы).

Анализ

От химического — к электрическому

А теперь — самое главное, следите за излагаемой мыслью! Мы должны перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов.

Калий заряжен положительным зарядом, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только себя, но и «плюсики» (положительные заряды). На их месте в клетке остаются «минусы» (отрицательные заряды). Это и есть мембранный потенциал покоя!

Мембранный потенциал покоя — это дефицит положительных зарядов (положительно заряженных ионов) внутри клетки, образовавшийся за счёт утечки из клетки положительных ионов калия.

Заключение

 Рис. Схема формирования потенциала покоя (ПП). Автор благодарит Попову Екатерину Юрьевну за помощь в создании рисунка.

Составные части потенциала покоя

Потенциал покоя — отрицательный со стороны клетки и состоит как бы из двух частей.

1. Первая часть — это примерно -10 милливольт, которые получаются от неравносторонней работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает «плюсиков» с натрием, чем закачивает обратно с калием).

2. Вторая часть — это утекающий всё время из клетки калий, утаскивающий положительные заряды из клетки. Он дает большую часть мембранного потенциала, доводя его до -70 милливольт.

Калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход сравняются) только при уровне электроотрицательности клетки в -90 милливольт. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который тащит с собой свои положительные заряды. И в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне -70 милливольт.

Так что всё дело в натрий-калиевом мембранном насосе-обменнике и последующем вытекании из клетки «лишнего» калия. За счёт потери положительных зарядов при этом вытекании внутри клетки нарастает электроотрицательность. Она-то и есть «мембранный потенциал покоя». Он измеряется внутри клетки и составляет обычно -70 мВ. 

Выводы

Говоря образно, «мембрана превращает клетку в «электрическую батарейку» с помощью управления ионными потоками».

Мембранный потенциал покоя образуется за счёт двух процессов:

1. Работа калий-натриевого насоса мембраны.

Новая гипотеза механизма работы Na,K-АТФазы рассматривается здесь: Механизм натрий-калиевого насоса

Работа калий-натриевого насоса, в свою очередь, имеет 2 следствия:

1.1. Непосредственное электрогенное (порождающее электрические явления) действие ионного насоса-обменника. Это создание небольшой электроотрицательности внутри клетки (-10 мВ).

Виноват в этом неравный обмен натрия на калий. Натрия выбрасывается из клетки больше, чем поступает в обмен калия. А вместе с натрием удаляется и больше «плюсиков» (положительных зарядов), чем возвращается вместе с калием. Возникает небольшой дефицит положительных зарядов. Мембрана изнутри заряжается отрицательно (примерно -10 мВ).

1.2. Создание предпосылок для возникновения большой электроотрицательности.

Эти предпосылки — неравная концентрация ионов калия внутри и снаружи клетки. Лишний калий готов выходить из клетки и выносить из неё положительные заряды. Об этом мы скажем сейчас ниже.

2. Утечка ионов калия из клетки.

Из зоны повышенной концентрации внутри клетки ионы калия выходят в зону пониженной концентрации наружу, вынося заодно положительные электрические заряды. Возникает сильный дефицит положительных зарядов внутри клетки. В итоге мембрана дополнительно заряжается изнутри отрицательно (до -70 мВ).

 Финал

Итак:

Калий-натриевый насос создает предпосылки для возникновения потенциала покоя. Это — разность в концентрации ионов между внутренней и наружной средой клетки. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка клетки выравнять концентрацию ионов по калию приводит к потере калия, потере положительных зарядов и порождает электроотрицательность внутри клетки. Эта электроотрицательность составляет большую часть потенциала покоя. Меньшую его часть составляет непосредственная электрогенность ионного насоса, т.е. преобладающие потери натрия при его обмене на калий.

Видео: Мембранный потенциал покоя (Resting membrane potential)

© 2009-2021 Сазонов В.Ф. © 2016-2021 kineziolog.su