Глава 2. Ионные каналы и нейранальная сигнализация

43

(В)

2 г Out

0 mV

-l^L In

- In

- Out

100

Рис. 2.6. Влияние потенциала на ток

(С)

через одиночный калиевый канал

в симметричном растворе ионов калия

по обе стороны мембраны. (А) Схема

установки. (B-D) Примеры токов через

одиночные ионные каналы при разных о _₂

уровнях мембранного потенциала. (Е)

Ток через калиевый канал как функция

мембранного потенциала.

Fig. 2.6. Effect of Potential on Currents ^(D) ? ² through a single, spontaneously active 5

potassium channel in an outside-out g

patch, with 150 mM potassium in both ^ _,

(E)

the electrode and the bathing solu­ tion. (A) The recording system. The output from the patch clamp amplifier is proportional to the current across the patch. The potential across the patch is equal to the potential (VC) applied to the input of the amplifier as shown. Positive charge flowing out of the elec­ trode is defined as positive current. (B) When no potential is applied to the patch, no channel currents are seen be- <

cause there is no net flux of potassium

through the channels. (C) Application g ,

of +20 mV to the electrode results g -40

in an outward current (upward deflec­ tions) of about 2 pA through the chan- J nels. (D) A -20 mV potential results in inward channel currents (downward deflections) of the same amplitude as in С. (Е) Channel currents as a function of applied voltage. The slope of the line is the channel conductance (7). In this case, 7 = 110 pS (picosiemens).

+20 mV

- 20 mV

_{ггиппгыпгг}

In

40 Time (ms)

-20

60

20

80

40

20

-2

Patch potential (mV)

из направлений. Поэтому на данном рис. 2.6В показано отсутствие мембранного тока.

Пэтч-кламп метод имеет достоинство, ко­торое еше не было упомянуто: мы можем менять потенциал на регистрирующей пи­петке и варьировать, таким образом, транс­мембранную разность потенциалов. Напри­мер, при мембранном потенциале +20 мВ

каждое открытие калиевого ионного канала сопровождается током, направленным наружу (рис. 2.6С). Это связано с тем, что положи­тельно заряженные ионы калия двигаются че­рез канал по электрическому градиенту между раствором в пипетке и в ванночке. С другой стороны, когда внутри пипетки создан отри­цательный потенциал величиной в -20 мВ

44

Раздел II. Передача информации в нервной системе

(рис. 2.6D), ток направлен в обратном напра­влении (через открытый канал в пипетку).

Зависимость тока от величины потенциа­ла на мембране представлена на рис. 2.6Е. Эта зависимость является линейной: ток (J), про­ходящий через канал, пропорционален потен­циалу (V):

I = fV.

Это формула представляет собой преобра­зованный закон Ома (приложение А). Кон­станта 7 называется проводимостью канала. При одном и том же потенциале на мембране канал с высокой проводимостью переносит много тока, канал с низкой проводимостью проводит малый ток.

Проводимость измеряется в сименсах (См). В нейронах трансмембранный потен­циал обычно выражается в милливольтах (1 мВ = 10~³ В), токи одиночных ионных ка­налов в пикоамперах (1 пА = 10~¹² А), прово­димость в пикосименсах (1 пСм = 10~¹² См). На рис. 2.6 потенциал +20 мВ продуци­ровал ток около 2,2 пА, соответственно проводимость канала (7 = I/V) составила 2,2пА/20мВ= ПОпСм.

Проводимость и проницаемость

Проводимость ионного канала f зависит от двух факторов: во-первых, от той легко­сти, с которой ионы проходят через открытый канал. Это внутреннее свойство канала из­вестно как проницаемость канала. Во-вторых, проводимость зависит от концентрации ио­нов около устьев канала. Ясно, что если ионы калия отсутствуют как внутри, так и снаружи клетки, то не может быть и тока. При этом становится не важно, какова проницаемость канала или насколько велик мембранный по­тенциал. Если присутствует всего несколько ионов калия, то, при одной и той же величи­не проницаемости и стандартном трансмем­бранном потенциале, ток через ионный канал будет гораздо меньше, чем при избыточной концентрации ионов калия. Эти взаимоотно­шения могут быть представлены следующим образом:

Открытый канал -+ проницаемость Проницаемость + ионы —> проводимость.

Равновесный потенциал

В уже рассмотренных примерах ионного то­ка концентрации ионов калия были оди­наковыми по обе стороны мембраны. Что

произойдет, если мы сделаем концентрации этого иона в пипетке и в ванночке раз­личными? Представим, что после получения конфигурации outside-out, как это показано на рис. 2.7А, концентрация калия в ванночке составляет 3 ммоль (подобно нормальной вне­клеточной концентрации этого иона), а вну­три электрода эта концентрация равняется 90 ммоль (подобно цитоплазматической кон­центрации). Если калиевый канал в мембране будет открыт, то ионы калия начнут двигать­ся из пипетки в ванночку. Такой ток будет происходить даже при отсутствии потенци­ала на пипетке (рис. 2.7В), так как движу­щей силой для ионов калия является гра­диент концентраций. Если же мы зарядим пипетку положительно, градиент потенциа­ла на мембране будет еще более увеличивать движение положительно заряженных ионов калия наружу (к минусу). В результате ток ионов через калиевые каналы будет возра­стать (рис. 2.7С). И наоборот, если придать пипетке отрицательный заряд, движение ио­нов калия из электрода наружу через мембра­ну замедлится и канальный ток уменьшится (рис. 2.7D). Важно отметить, что при доста­точно большом отрицательном заряде ионы калия начнут движение внутрь, то есть против градиента концентрации (рис. 2.7Е). Зависи­мость ионного тока от напряжения на мем­бране для этой экспериментальной модели показана на рис. 2.7F.

Рис. 2.7F иллюстрирует, что ток ионов ка­лия через канал зависит от электрического потенциала мембраны и градиента концен­трации калия. Сочетание этих двух факто­ров формирует электрохимический градиент для калия. В отличие от начального резуль­тата, полученного при одинаковых концен­трациях ионов калия по обе стороны мем­браны (рис. 2.6), в данном примере ионный ток равен нулю при потенциале на пипет­ке —85 мВ. При этом потенциале стремление ионов калия выйти через канал наружу по гра­диенту концентраций полностью уравновеше­но трансмембранной разницей электрическо­го потенциала, которая направляет движение ионов в противоположном направлении. Этот трансмембранный потенциал называется ка­лиевым равновесным потенциалом (Е_к) Рав­новесный потенциал зависит только от кон­центрации ионов по обе стороны мембраны, но не от свойств ионного канала или меха­низма проникновения ионов через канал.