096. Механизм возникновения потенциалов покоя и возбуждения

Мембранным потенциалом покоя (МПП) или потенциалом покоя (ПП) называют разность потенци­алов покоящейся клетки между внутренней и наружной сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной. Принимая потенциал наружного раствора за нуль, МПП записывают со знаком «минус». Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. Следовательно, в состоянии покоя клеточная мембрана поляризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение — гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП — реполяризацией мембраны.

В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К⁺ (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na⁺ и практически непроницаема для внутриклеточ­ных белков и других органических ионов. Ионы К⁺ диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности потенциалов через мембрану. Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К⁺ из клетки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К⁺ по концентрационному градиенту и входом этих катионов по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным потенциалом. Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста:

где Ек — равновесный потенциал для К⁺; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; п — валентность К⁺ (+1), [Кн⁺] — [Квн⁺] — наружная и внутренняя концентрации К⁺

Наличие стационарной разности потенциалов между цитоплазмой и наружной средой в покоящейся клетке обусловлено существующими концентрационными градиентами для К⁺, Na⁺ и Сl^- и различной проницаемостью мембраны для этих ионов. Основную роль в генерации МПП играет диффузия ионов калия из клетки в наружный наствор. Наряду с этим, МПП определяется также натриевым и хлорным равновесными потенциалами и вклад каждого из них определяется отношениями между проницаемостями плазматической мембраны клетки для данных ионов.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТФ. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na⁺ и K⁺ через клеточную мембрану. Эта система называется Na⁺ - K⁺  насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К⁺ выше, чем Na⁺:

Механизм действия Na⁺, K⁺ АТФазы. Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны. Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы отщепляются, а замещается на два иона . Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы отщепляются, и переносчик вновь готов к работе. На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней -- отрицательный.

Ионофоры - это небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидных бислоях и повышают их ионную проницаемость. Существуют два класса ионофоров:

• ионофоры - подвижные переносчики ионов
• каналообразующие ионофоры 

Перенос иона через мембрану с участием переносчика включает стадии образования комплекса иона с ионофором на одной стороне мембраны, перемещения комплекса через мембрану, освобождения иона на другой стороне и возвращения ионофора. Возможны две схемы работы переносчика:

• малая «карусель», когда ионофор не выходит из мембраны;
• большая «карусель», когда ионофор проходит мембрану насквозь, а образование и распад комплексов протекает в не перемешиваемых слоях около мембраны.

Каналообразующие агенты. Все эти молекулы обладают сродством к водной и органической фазам, что, с одной стороны, позволяет им образовывать водную пору, а с другой -- приводит к сильной сорбции антибиотика на мембрану. Внешняя часть молекул в поре гидрофобна, а внутрь канала обращены хорошо поляризуемые группы. Заряженные или сильно полярные группы могут находиться на одном конце молекулы. Такие группы служат «якорем», удерживая полярный конец на одной из сторон мембраны, позволяя молекуле пронизать гидрофобную часть мембраны.

Помимо ионных насосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в которых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/или градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вторичного активного транспорта.

Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное про­странство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду. Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мем­браны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы). Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму одиночного пика, называется мембранным потенциалом действия (МПД). МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некото­рого критического значения, называемого порогом генерации МПД.

Кальциевая теория активации и инактивации Na⁺-каналов

В состоянии покоя у наружного отверстия Na⁺-канала находится Са²⁺, который электростатически тормозит проникновение Na⁺ в канал. При возбуждении наружная поверхность мембраны заряжена отрицательно, при этом Са²⁺ уходят со своих мест, вход открывается и Na⁺ входит в клетки.

Инактивация: по ходу деполяризации узкие Na⁺ -каналы могут закупориваться Na⁺. Во многих каналах есть воротные белки (могут менять свое местоположение под влиянием изменения потенциала). В состоянии покоя активационный белок закрыт, а инактивационный открыт. При возбуждении открывается активационный белок в момент закрывания инактивационного белка. В конце реполяризации белки так же закрываются и потом открываются (исходное состояние).

Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужденным и покоящимися участками мембраны. Последовательность со­бытий  в  этом случае  представляется  в следующем виде. При нанесении точечного раздражения на нервное волокно в со­ответствующем участке мембраны возникает потенциал действия. Внутренняя сторона мембраны в данной точке оказывается заря­женной положительно по отношению к соседней, покоящейся. Между точками волокна, имеющими различный потенциал, возни­кает ток(локальный ток), направленный от возбужденного (знак (+) на внутренней стороне мембраны) к невозбужденному знак (-) на внутренней стороне мембраны) к участку волокна. Этот ток оказы­вает деполяризующее влияние на мембрану волокна в покоящемся участке и при достижении критического уровня деполяризации мем­браны в данном участке возникает МПД (Мембранный потенциал действия). Этот процесс последова­тельно   распространяется  по  всем  участкам   нервного  волокна.

Кабельная теория нервного волокна: нервное волокно внутри содержит проводящую среду, оболочка нервного волокна имеет слой, который плохо проводит возбуждение. Нервное волокно омывается внеклеточной жидкостью, которая проводит электрический ток. В состоянии покоя внутриклеточная среда имеет избыточный отрицательный заряд. Сила тока меняется с расстоянием от возбужденного сегмента, декремента.