Связь мембранных потенциалов с обменом веществ

Согласно мембранной теории, мембранные потенциалы непосредственно зависят от величины концентрационных градиентов калия и натрия, а также от проницаемости мембраны. Цитоплазма непосредственного участия в генерировании потенциалов не принимает. Поэтому если теория действительно справедлива, то цитоплазму можно заменить раствором солей соответствующего состава. Такие опыты были проделаны вначале Бейкером и Шоу, а затем Ходжкиным и другими исследователями. Они брали гигантский аксон кальмара и с помощью специального катка выдавливали из него аксоплазму. В освободившийся конец аксона вводили изотонический раствор сернокислого калия. Этот метод получил название перфузии аксона.

Оказалось, что нервные волокна, перфузированные раствором К₂SO₄, а также растворами других солей калия, мало чем отличались от обычных интактных волокон. Потенциалы покоя и действия имели обычную величину 50 — 70 и 100 —110 мВ соответственно. Потенциал действия был таким же по форме, как и у обычных волокон. Перфузированные волокна могли жить в течение нескольких часов в морской воде и проводили около

189

300 000 импульсов. Эти тонкие и остроумные опыты явились важным аргументом в пользу мембранной теории. Полученные данные крайне трудно объяснить с позиций других теорий биопотенциалов. Эти опыты показали, что непосредственным источником энергии для возникновения потенциалов служат ионные градиенты калия и натрия. В значительном диапазоне изменений концентраций этих ионов снаружи и внутри волокна величины мембранных потенциалов соответствовали значениям, вычисленным по уравнению Нернста. Если наружную концентрацию калия делали равной внутренней или же вместо калия вводили в аксон натрий, то потенциал покоя становился равным нулю. Когда концентрацию натрия внутри аксона делали равной концентрации натрия в жидкости, окружающей волокна, то способность клетки к генерированию потенциалов действия исчезала.

Опыты с перфузированными волокнами также показали, что возникновение мембранных потенциалов непосредственно не связано с метаболическими процессами клетки. Влияние метаболических процессов на мембранные потенциалы проявляется опосредованно. В результате обмена веществ, в частности протекания окислительных процессов, клетка обеспечивается энергией. Часть общей энергии клетки расходуется на поддержание ионных градиентов, т. е. на работу натрий-калиевого насоса.

Если действием ингибиторов блокировать образование макроэргических соединений, то ионные градиенты начинают падать. Однако нерв способен и после этого генерировать большое количество импульсов — до нескольких сотен тысяч. Естественно, что амплитуда импульсов будет постепенно понижаться и при значительном уменьшении ионных градиентов способность клетки к возбуждению исчезает. Однако если в такую клетку ввести АТФ, то ионные градиенты могут вновь восстановиться и клетка сможет генерировать потенциалы действия. Таким образом, ингибиторы не подавляют генерирование потенциалов, но ускоряют утомление клеток. Энергия АТФ необходима не для генерирования потенциала действия, а для восстановления после возбуждения исходного состояния клетки.

На основании вышеизложенного можно сделать заключение, что в мембране существуют две системы: одна связана с обменом веществ и ответственна за ак-

190

тиный транспорт ионов и за поддержание ионных градиентов; другая система, относительно независимая от обмена веществ, регулирует движение ионов натрия и калия в направлении их концентрационных градиентов при генерировании потенциала действия. Эта регуляция осуществляется путем изменения проницаемости мембраны. Указанные две системы обладают разными свойствами и их можно различить несколькими способами. Так, сердечные гликозиды не влияют на потенциалы действия, но подавляют активный перенос ионов (см. главу 6). А изменение концентрации двухвалентных ионов, в частности кальция, в наружном растворе вызывает существенное изменение возбудимости, но не оказывает ощутимого влияния на ионные насосы. Рассматриваемые системы отличаются друг от друга и своей избирательностью к ионам. Например, литий, которым можно заменить натрий при генерировании потенциала действия, совсем не откачивается натриевым насосом. Наконец, важное отличие этих систем заключается и в том, что максимальная скорость, с которой осуществляется активный перенос ионов, равна для аксона кальмара примерно 50 пикомоль/см²*с, тогда как при генерировании потенциала действия скорость движения ионов достигает 10 000 пикомоль/см²*с.

Активный перенос ионов в клетках пропорционален интенсивности метаболических процессов. Любые факторы, изменяющие интенсивность метаболических процессов (температура, ингибиторы и др.), могут изменять величину ионных градиентов и, следовательно, величину мембранных потенциалов. В связи с этим между двумя участками ткани с разной интенсивностью обменных процессов возникают так называемые метаболические потенциалы, величина которых достигает 50 — 100 мВ. Такие потенциалы существуют, например, между освещенной и неосвещенной частями листа растения, между частями железы с разной секреторной активностью и пр. При этом более активный участок ткани является электроположительным по отношению к менее активному. В настоящее время многие исследователи указывают, что мембранные потенциалы могут иметь более тесную связьс обменом веществ. Об этом свидетельствует скорость, с которой потенциал покоя может уменьшаться при утомлении. В некоторых случаях при изучении температурных зависимостей потенциала покоя было об-

191

наружено, что температурные коэффициенты значительно превышают значения, которые можно было бы ожидать из уравнения Нернста. После обработки клеток строфантином потенциал покоя уменьшался, в то же время температурные коэффициенты приближались к значениям, предсказываемым уравнением Нернста. На основе экспериментов такого характера пришли к выводу, что в некоторых случаях потенциал покоя может быть обусловлен не только диффузией ионов калия, но и активным 'переносом ионов натрия из цитоплазмы во внешнюю среду. Как указывалось в главе 6, натрий-калиевый насос может работать в нескольких режимах. Если он переносит только ионы натрия, и не переносит ионы калия, то на внешней поверхности мембраны возникает некомпенсированный положительный заряд. Вследствие этого между поверхностями мембраны возникает «насосная» разность потенциалов, которая суммируется с разностью потенциалов, обусловленной диффузией калия. Описанный режим работы натрий-калиевого насоса называется электрогенным, а сам натрий-калиевый насос является в этом случае химико-электрическим преобразователем, питаемым энергией, освобождающейся в ходе обмена веществ. Поскольку биохимические процессы, лежащие в основе работы насоса, имеют более высокие температурные коэффициенты, чем диффузия, то и температурные зависимости потенциала покоя оказываются более выраженными. После выключения насоса строфантином потенциал покоя уменьшался и в то же время температурные зависимости становились менее крутыми.

Природа изменений проницаемости мембраны при возбуждении в настоящее время исследована слабо. Вопрос о природе изменений ионной проницаемости возбудимой мембраны при генерировании потенциалов является одним из центральных в современной биофизике клетки. В настоящее время нет методов прямого наблюдения тех молекулярных перестроек, которые происходят в мембране при действии раздражителей. И всю информацию о механизмах изменения ионной проницаемости приходится извлекать из косвенных данных, полученных в" опытах с воздействием на клетки различных физических и химических факторов.

Тот факт, что проницаемость мембраны является функцией мембранного потенциала, позволяет предпо-

192

лагать, что изменение проницаемости происходит в результате движения каких-то заряженных частиц в мембране или на ее поверхности, способных блокировать или открывать ионные каналы.

Еще давно было замечено, что при удалении из внешней среды ионов кальция клетки начинают спонтанно генерировать потенциалы действия. Напротив, при повышении концентрации кальция во внешней среде порог раздражения для клеток повышается. На основании этого Гордон сделал предположение, что ионы кальция регулируют проницаемость мембраны для натрия и калия. Согласно его гипотезе, ионы кальция, притягиваясь к отрицательно заряженной внутренней поверхности мембраны, играют как бы роль привратников, закрывая вход в поры, через которые проникают ионы натрия и калия. При уменьшении потенциала покоя ионы кальция удаляются со своих мест и одновалентные ионы получают возможность проникать через мембрану.

В последующем эта модель подвергалась теоретической и экспериментальной проверке. Согласно последним данным С. Н. Фишмана, Б. И. Ходорова, М. В. Волькенштейна, эта модель не может дать количественного описания одновременно двух связанных между собой явлений: зависимости проницаемости для натрия от мембранного потенциала и смещения этой кривой вдоль оси напряжения при изменении концентрации кальция в омывающем растворе. Предполагают, что изменение проницаемости при деполяризации обусловлено движением частиц с зарядом, который больше четырех элементарных и что это движение каким-то образом связано с адсорбцией и десорбцией ионов кальция. Это движение, по мнению названных авторов, может быть представлено простым перемещением заряженной молекулы, поворотом диполя или конформационным превращением макромолекулы.

В последнее время известным нейрофизиологом Тасаки развивается теория возбуждения мембраны, основанная на физико-химических представлениях, полученных при изучении свойств искусственных мембран. Возбудимая мембрана рассматривается им как макромолекулярный комплекс белков и фосфолипидов. Относительный избыток фиксированных отрицательных зарядов в наружном слое мембраны придает ей катионообменные свойства. В состоянии покоя заряженные участки мем-