2. Потенциал покоя.

Потенциал покоя – это стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемых между наружной и внутренней поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разным сторонам мембраны и диффузией ионов через мембрану.

В покоящейся, нормально функционирующей клетке всегда имеется разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой. Еще в 1838 г. Маттеучи впервые установил, что наружная поверхность мышц заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Эта разность потенциалов, свойственная состоянию покоя, и получила название потенциала покоя или мембранного потенциала. Определенное время считали, что потенциал покоя возникает вследствие повреждения клетки или ткани между поврежденным и неповрежденным участками. Поврежденный участок приобретал стойкий отрицательный заряд по отношению к неповрежденному. Однако было обнаружено, что разность потенциалов может возникать и у неповрежденных клеток. Экспериментально величина потенциала покоя была измерена с помощью микроэлектродов, один из которых вводился внутрь клетки (рис.2), а второй помещался во внеклеточную жидкость (1). Если оба электрода поместить во внеклеточную жидкость, то прибор не зафиксирует разность потенциалов (2).

Согласно современным взглядам, причиной возникновения потенциала клеток в покое является неравномерное распределение ионов калия между содержимым клетки и окружающей средой. Концентрация ионов калия в клетках в 20-40 раз превышает их содержимое в окружающей среде. Эта точка зрения базируется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии и могут легко диффундировать.

Исследования Ходжкина и Кейнеса (1953г.), выполненные с радиоактивным ⁴²К на гигантских аксонах кальмара, показали, что подвижность и коэффициент диффузии ионов ⁴²К внутри волокна почти такие же, как в водном растворе.

Избыток положительных зарядов ионов калия внутри клеток компенсируется в основном органическими анионами, содержание которых в клетках сравнительно небольшое. К ним относятся анионы аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Согласно Ходжкина, Хаксли, Катца клеточная мембрана проницаема в состоянии покоя только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по градиенту концентрации через клеточную мембрану в окружающую жидкость, анионы не могут проникать через клеточную мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Внешняя поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя отрицательно. Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина может быть найдена из уравнения Нернста для равновесного мембранного потенциала: . (3)

Разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны различных клеток, рассчитанная по уравнению Нернста, оказалось очень близкой к измеренной в эксперименте с помощью внутриклеточных микроэлектродов.

Кроме того, калиевый механизм возникновения потенциала покоя убедительно подтверждают эксперименты с изменением концентрации калия в окружающей клетку среде. При изменение наружной концентрации калия в широких пределах наблюдалось закономерное изменение величины потенциалов покоя в соответствии с зависимостью, выраженной уравнением Нернста. В частности, когда концентрацию калия в окружающей клетку среде делали равной концентрации его в клетке, потенциал покоя становился равным нулю.

При измерении потенциала покоя выяснилось, что в одних случаях его измеренное значение соответствует значению, теоретически вычисленному по уравнению Нернста, в других случаях между измеренной и вычисленной величинами имеются значительные различия. Это объясняется тем, что на величину потенциала покоя, наряду с ионами К⁺, оказывают влияние другие ионы, проникающие через мембрану, и показывает, что «калиевая теория» потенциала покоя несовершенна и не полностью объясняет наблюдаемые факты.

Для количественного описания в условиях проницаемости мембран для нескольких ионов Ходжкин и Катц использовали представление о том, что потенциал покоя не равновесный, а стационарный по своей природе, т.е. он отражает состояние системы, когда через мембрану непрерывно идут встречные потоки К⁺, Na⁺,Cl^-. Суммарная плотность потока равна сумме плотности положительно заряженных ионов (одновалентных катионов) минус сумма плотности потоков одновалентных анионов: Ф=Ф_К⁺+Ф_Na⁺-Ф_Cl^-.

Перед Ф_Cl – стоит знак минус, учитывающий отрицательный заряд иона хлора.

В стационарном состоянии суммарная плотность потока равна нулю (Ф=0), т.е. число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу выходящих из клетки через мембрану ионов.

Выразив плотности потоков положительных и отрицательных ионов, просуммируем их и приравниваем к нулю, получим:

Третий член этого выражения соответствует плотности потока отрицательно заряженных ионов Cl^-.

После ряда преобразований можно получить выражение для потенциала покоя на мембране для 3-х ионов:

.

Это уравнение называется уравнением стационарного потенциала Гольдмана-Ходжкина-Катца или проще – уравнением Гольдмана. Последнее переходит в уравнение Нернста, если проницаемость одного из ионов гораздо выше, чем для других. Например, в гигантской аксоне кальмара Р_К:Р_Na:Р_Cl=1:0,04:0,45, т.е. Р_К заметно выше, чем для других ионов, поэтому числитель и знаменатель в уравнении примерно равны соответственно и , благодаря чему уравнение превращается в уравнение Нернста для К⁺, т.е. уравнение Нернста является частным случаем уравнения Гольдмана. Рассчитанный по уравнению Гольдмана потенциал гигантского аксона кальмара совпадает с найденным в эксперименте.