Потенциал покоя нервной клетки

Передача сигналов по нервным клеткам происходит в виде потенциалов действия (ПД) — коротких электрических импульсов, проходящих по мембранам. Однако и в состоянии покоя нейрон изнутри заряжен отрицательно по отношению к своей внешней поверхности, т. е. обладает устойчивым мембранным потенциалом, или потенциалом покоя (ПП), который составляет в среднем −70 мВ.

Для измерения ПП, а также другой электрической активности нервных клеток используют стеклянный микроэлектрод — трубочку с сильно вытянутым и утонченным кончиком, диаметр которого должен быть менее 1 мкм; в этом случае микроэлектрод, проткнув мембрану нейрона, не нанесет ему заметных повреждений. Полость трубочки заполняется раствором соли KCI для обеспечения электрической проводимости. Пока кончик электрода находится в межклеточной среде, стрелка микровольтметра стоит на нуле (рис. 3.5). В момент прокалывания мембраны нейрона регистрируется скачок потенциала вниз до уровня ПП, и, если не смещать электрод относительно нервной клетки, потенциал сохраняется практически неизменным.

Рис. 3.5. Регистрация потенциала покоя нервной клетки: а — реальная фотография, позволяющая сопоставить размеры нейрона и электродов, используемых в экспериментах; б — схема регистрации потенциала покоя путем введения в нейрон кончика микроэлектрода; 1 — ядро клетки; 2 — внутриклеточный электрод; 3 — вольтметр

Потенциал покоя зависит от свойств мембраны нейронов и ионного баланса нервной ткани. Показано, что концентрация основных ионов внутри и вне нервной клетки существенно различается; так, в аксоне кальмара ионов К⁺ в цитоплазме в 20—30 раз больше, чем снаружи; ионов Na⁺ и Cl⁻ примерно в 10 раз меньше; Ca²⁺ снаружи больше в 20—30 раз.

Создание такого ионного баланса осуществляется особыми белками-насосами. Наиболее важной для деятельности нервной системы является натрий-калиевая АТФ-аза (Na⁺, К⁺-насос). Этот крупный белок (около 1000 аминокислот), встроенный в мембрану, имеет на внутренней поверхности места связывания для Na⁺ и АТФ, а на наружной поверхности — для К⁺ (рис. 3.6).

На первой стадии цикла Na⁺, К⁺-насос захватывает из цитоплазмы три иона Na⁺ и молекулу АТФ, затем, используя энергию распада АТФ, молекула насоса меняет свою пространственную конфигурацию, ионы Na⁺ оказываются снаружи клетки и высвобождаются в межклеточную среду. Насос захватывает два иона К⁺ и возвращается к исходной конфигурации. В результате ионы К⁺ переходят в цитоплазму, а насос готов к новому циклу. Процесс переноса в клетку ионов К⁺ требует затраты энергии, получаемой в результате распада АТФ на АДФ и фосфорную кислоту (Ф).

Скорость этого процесса может быть очень большой — до 600 ионов Na⁺ в секунду. В реальных нейронах она определяется доступностью внутриклеточного Na⁺ и резко возрастает при его проникновении извне. При отсутствии любого из двух типов ионов работа насоса останавливается. Специфическим ядом, блокирующим деятельность Na⁺, К⁺-насоса, является токсин растительного происхождения строфантин, присоединяющийся к месту связывания К⁺.

Рис. 3.6. Схема Na+, К+-насоса: → — выход из клетки ионов Na+ и перенос в клетку ионов К+

Сходные системы переноса существуют для ионов Cl⁻ и Ca²⁺. При этом ионы хлора выводятся из цитоплазмы в межклеточную среду, а ионы кальция обычно переносятся внутрь клеточных органоидов — каналов ЭПС и митохондрий.

Для возникновения потенциала покоя также необходимо существование в мембране нервных клеток открытых ионных каналов, в результате чего мембрана становится проницаемой для определенных ионов, получающих возможность свободно перемещаться между цитоплазмой и межклеточной средой. Ключевое значение для появления ПП имеют постоянно открытые (проточные) К⁺-каналы. Они представляют собой белковые молекулы, проход внутри которых специфически настроен на пропуск ионов К⁺.

Исходное состояние нейрона (до развития ПП) — отсутствие внутреннего заряда. Количество положительных и отрицательных ионов в цитоплазме клетки равное. Такая картина наблюдается на ранних этапах эмбрионального развития нервной ткани. Затем по мере ее созревания включаются гены, запускающие синтез постоянно открытых К⁺-каналов. После их встраивания в мембрану ионы К⁺ получают возможность свободно выходить из клетки, где их содержание велико, в межклеточную среду, где их гораздо меньше.

Однако такая диффузия не приводит к уравниванию концентрации ионов калия внутри и вне клетки, так как параллельно с выходом К⁺ из клетки в ней становится все больше оставшихся без своей положительно заряженной пары анионов (отрицательно заряженных ионов); по мере диффузии К⁺ в цитоплазме нейрона накапливается отрицательный электрический заряд (рис. 3.7, а). Притягивая к себе катионы (положительно заряженные ионы), он начинает все больше препятствовать выходу К⁺ из клетки. В итоге выход К⁺ продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического поля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.

Рис. 3.7. Роль ионов К+ в возникновении и поддержании потенциала покоя (ПП): а — возникновение ПП вследствие диффузии ионов К+ через постоянно открытые ионные каналы (ИК); ⊕ — ионы К+; ⊖ — отрицательные ионные пары; б — изменение уровня ПП при удалении К+ из межклеточной среды и добавлении К+ в межклеточную среду; 1 — сдвиг ПП при удалении К+ из внешней среды (рост диффузии); 2 — сдвиг ПП при добавлении К+ во внешнюю среду (снижение диффузии)

Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и K⁺ 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 противоборствующих процессов. Если интенсивность одного из процессов изменится, то точка равновесия сместится: при искусственном повышении концентрации К⁺ в межклеточной среде ослабляется диффузия; часть ионов будет втянута внутрь клетки, и ПП сместится вверх. При уменьшении содержания ионов калия в межклеточной среде усиливается диффузия, и ПП сместится вниз (рис. 3.7, б). Все эти явления подчиняются химическим и физическим законам. Существует уравнение Нернста, позволяющее рассчитать уровень ПП, зная внутреннюю и наружную концентрации К⁺:

где R, Т и F — три физические характеристики (газовая постоянная, абсолютная температура и постоянная Фарадея соответственно); выражение перед логарифмом (2,3 RT/F) при температуре тела равно 61,5 мВ. Десятичный логарифм отношения концентраций ионов К⁺ в межклеточной среде ([К⁺]_нар) и цитоплазме ([К⁺]_внутр) равен −1,30 для соотношения 1/20 и −1,48 для соотношения 1/30; соответствующие значения ПП будут равны −80 мВ и −91 мВ; при этом в равновесном состоянии из клетки выйдет менее 1% ионов К⁺.

Однако возникает несоответствие между рассчитанным уровнем ПП и ПП реальных клеток, который обычно несколько ниже по абсолютному значению. Подъем ПП происходит за счет другого типа постоянно открытых ионных каналов — натриевых, которых существенно меньше, чем калиевых, но входящие в них ионы Na⁺ внося в клетку положительный заряд, могут увеличить ПП.

Входящий ток Na⁺ (ток утечки), снижая ПП по абсолютному значению, делает нейрон более возбудимым. Чем больше у нейрона ток утечки Na⁺ (постоянно открытых Na⁺-каналов), тем легче вызвать у него потенциал действия.

Роль ионов К⁺ в формировании ПП состоит в создании «базовой», несколько завышенной разности потенциалов между цитоплазмой нейрона и внешней средой, роль ионов Na⁺ — в «подгонке» ПП каждого конкретного нейрона к генетически заданному уровню возбудимости. Чем больше натрия во внешней среде, а в мембране — натриевых каналов, тем выше (меньше по абсолютному значению) уровень ПП. Таким образом, возникает возможность сформировать как легко возбудимые нейроны (необходимые для систем бодрствования или кратковременной памяти), так и нейроны мало возбудимые (например, запускающие двигательные программы).

Ток утечки Na⁺ компенсируется работой Na⁺, К⁺-насоса. При отравлении строфантином уровень ПП начнет медленно смещаться вверх, приближаясь к нулю.

Мембрана нервной клетки на уровне ПП обладает также определенной проницаемостью для ионов Cl⁻. Обычно она несколько выше, чем проницаемость для ионов Na⁺, и вклад ее в формирование ПП учтен в расширенном варианте уравнения Нернста:

где Р_к, P_Na и Р_Cl — проницаемости мембраны для соответствующих ионов (примерное соотношение 1,00:0,04:0,15).

Последний фактор, который влияет на уровень ПП, — это электрогенный эффект Na⁺, К⁺-насоса. Обменивая в каждом цикле три иона натрия на два иона калия, насос уменьшает общее количество положительно заряженных ионов в цитоплазме, и его активность снижает уровень ПП (увеличивает его по абсолютному значению). Вклад электрогенного эффекта насоса зависит от тока утечки Na⁺, но обычно не превышает нескольких мВ.

Таким образом, конечный уровень потенциала покоя определяется взаимодействием большого числа факторов, основными из которых являются входящий и выходящий токи К⁺, входящий ток Na⁺ и деятельность Na⁺, К⁺-насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равновесия процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и соответственно уровень возбудимости нервной клетки (рис. 3.8).

Таким образом, функция ПП состоит в стабильном обеспечении работоспособного состояния нервных клеток, и, обладая ПП, нейрон способен из состояния ожидания переходить в «рабочий режим» — т. е. время от времени генерировать потенциалы действия (скачки потенциала на мембране, передающие информацию в ЦНС).

Рис. 3.8. Факторы, участвующие в формировании ПП: I — диффузия ионов К+ через постоянно открытые калиевые каналы (рост ПП по абсолютной величине); II — Na+, К+-насос (обмен трех Na+ на два К+, электрогенный эффект и рост ПП по абсолютной величине); III — диффузия ионов Na+ через постоянно открытые натриевые каналы: ток утечки, снижение ПП по абсолютной величине; → — движение ионов Na+; →— движение ионов К+