Потенциал покоя. Природа потенциала покоя

Между внутренней и наружной поверхностями кле­точной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Разность потенциалов, измеренная между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны в состоянии физиологического покоя клетки, на­зывается потенциалом покоя. Потенциал покоя клетки можно измерить с помощью стеклянного микроэлектрода, введенного непосредственно в цитоплазму; второй электрод при этом находится во внеклеточной жидкости. Кончик микроэлектрода, имеющего внутри канал, заполненный концентрированным раствором КС1, может иметь диаметр всего в долю микрона. При введении микроэлектрода мембрана клетки охватывает его кончик и ее повреждения практически не происходит

На основании большого экспериментального материа­ла было установлено, что цитоплазма в состоянии покоя клеток всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости. Потенциал покоя у разных клеток имеет величину от 50 до 100 мВ. Согласно современным взглядам, потенциал покоя по своей природе является мембранным потенциалом. Наличие мембраны приводит к возникновению потенциалов клеток, как в покое, так и при возбуждении. Причина их возникновения - неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и межклеточной средой. Концентрация ионов калия внутри клеток в 20—40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация натрия в межклеточной жидкости в 10—20 раз выше, чем внутри клеток. Такое неравномерное распределение ионов обусловлено активным переносом ионов—работой натрий-калиевого насоса.

Как было установлено, возникновение потенциала покоя обусловлено в основном наличием концентрацион­ного градиента ионов калия. Эта точка зрения базируется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны с другими ионами и молекулами и могут свободно диффундировать.

Согласно теории Ходжкина, Хаксли, Катца, клеточ­ная мeмбpaнa в cocтoянии покоя проницаема в основ­ном только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по концентрационному градиенту через клеточную мембрану в окружающую жидкость; анионы не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны,—отрицательный, то внешняя, поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя отрицательно. Понятно, что диффузия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами возникающего электрического поля и силами диффузии.

Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина Е может быть найдена из уравнения Нернста:

Е = (RT/ z F)·ln[K.]i / [К.]е (1)

где [K.] i и [К.]е — активность ионов калия внутри и снаружи клетки, z - валентность.

77. Уравнение Гольдмана – Ходжкина – Хаксли.

Мембрана в состоянии покоя проницаема не только для ионов калия, но и в небольшой степени для ионов натрия и хлора. Мембранный потенциал клеток представляет собой результирующую электродвижущих сил, генерируемых всеми этими тремя каналами диффузии. Проникновение натрия из окружающей жидкости внутрь клетки по концентрационному градиенту приводит к некоторому уменьшению мембранного потенциала. Диффузия через мембрану ионов хлора, содержание которых в межклеточной жидкости большинства тканей выше, чем в клетках, вызывает некоторое увеличение мембранного потенциала. Следовательно, для более точного вычисления потенциала покоя необходимо учитывать не только диффузию ионов калия, но и диффузию натрия и хлора. Уравнение Нернста позволяет описывать мембранный потенциал только в первом прибли­жении; для более точного определения потенциала при­меняют обобщенное уравнение Гольдмана-Ходжкина-Хаксли:

Е = (RT/ z F)·ln[(Рк · [K.]i + P_Na · [Na]_i + P_Cl · [Cl]_e) / (Рк · [K.]e + P_Na · [Na]_e + P_Cl · [Cl]i)

где P_k, P_Na, P_Cl — коэффициенты проницаемости мем­браны для ионов калия, натрия и хлора; [К], [Na], [Cl] — их активности внутри (i) и вне (е) клетки. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Хаксли позволяет определять мембранный потенциал не только в состоянии покоя, но и при возбуждении клетки. Для этого необходимо знание коэффи­циентов проницаемости для ионов. По данным Ходжкина и Катца (1949), для аксона кальмара в состоянии покоя отношение коэф­фициентов проницаемости Рк: Рnа: Р_Cl = 1: 0,04: 0,45.