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-