Механизм электрогенеза в клетках

 

 

 

 

1.5 Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина

 

Причина отклонения потенциала на мембране от потенциала Нернста — проницаемость мембраны не только для К+, но и для других ионов.

Для количественного описания потенциала в условиях проницаемости  мембраны 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 ионов К+, Na+, СГ и других. Суммарный поток положительно заряженных частиц через мембраны равен сумме потоков одновалентных катионов минус сумма потоков одновалентных анионов. Основной вклад в суммарный поток зарядов практически во всех клетках вносят ионы Na+, К+ и СГ. Поэтому

 

Будем считать, что величина Ф отрицательна, если поток' направлен  из клетки в окружающую среду, и положительна, если поток направлен в клетку.

Наличие суммарного потока приведет к изменению потенциала на мембране; скорость этого изменения  зависит от емкости мембраны. Связь  между плотностью тока j(А/м²), удельной емкостью С (Ф/м²) и потенциалом <р (В) известна из курса физики:

 

где dф/dt — скорость изменения потенциала (В/с). При этом величина плотности тока j связана с плотностью потока одновалентных катионов Ф (моль/м² • с), соотношением j = ФF, где F—число Фарадея.

         Возникающий потенциал (поляризация мембраны) тормозит дальнейший перенос ионов, так что в конце концов суммарный ток через мембрану прекратится и система придет в состояние, когда j = 0 и Ф = 0. При этом система не обязательно придет в равновесие, так как нулевое значение суммарного потока заряженных частиц еще не означает отсутствие составляющих его потоков отдельных ионов. И Ф_Ka+, и Ф_Na+, и Ф_сl- могут не быть равны нулю по отдельности, а тем не менее:

Для- простоты дальнейших преобразований примем вначале, что поток хлора равен нулю, откуда:

Величина  потоков Na+ и К+ зависит от градиента их концентрации на мембране и от мембранного потенциала в соответствии с уравнением:

 

Получаем:

 

Найдем ф по определению  логарифма, а затем выразим мембранный потенциал не в безразмерных единицах(ф) , а в вольтах (ф_м) в соответствии с уравнением:

Если ввести в рассмотрение также и ионы Сl- [уравнение (8.12)1, то, повторив предыдущие рассуждения, можно получить уравнение потенциала для трех ионов:

Этоуравнение  называется уравнением стационарного потенциала Гольдмана - Ходжкина-Каца или (проще) уравнение Гольдмана.

 

 

 

1.6 Природа потенциала покоя

 

Потенциал покоя, электрический потенциал между внутренней и наружной средой клетки, возникающий на ее мембране; у нейронов и мышечных клеток достигает величины 0,05-0,09 В; возникает из-за неравномерного распределения и накопления ионов по разные стороны клеточной мембраны.

Потенциал покоя впервые описан и измерен в 1848-51 годах в работах Э. Г. Дюбуа-Реймона в опытах на мышцах лягушки. Наличие постоянного тока определенной направленности между электродами, один из которых приложен к наружной поверхности мышцы, а другой вводится внутрь мышцы, доказало, что наружная поверхность клеток заряжена положительно (+), а внутренняя — отрицательно (). Природа явления нашла объяснение в «мембранной теории» биопотенциалов Ю. Бернтштейна в 1903-11 годах. По Бернштейну, белки, аминокислоты и другие органические анионы (обозначаемые как А^-) представлены в цитоплазме клетки в основном в виде калиевых солей А^-К⁺. Поскольку их концентрация в цитоплазме в 40-100 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, диффузионные потоки А^- и К⁺ через мембрану направлены преимущественно из клетки наружу. Однако мембрана клетки проницаема только для ионов К⁺ и не проницаема для органических анионов А^-. Ионы калия, проходя через мембрану наружу по концентрационному градиенту, скапливаются на противоположной стороне мембраны, заряжая ее положительно. Удерживание ионов К⁺ на наружной поверхности мембраны происходит за счет электростатического притяжения со стороны противоионовА^-, которые, не имея возможности пройти через мембрану вслед за калием, скапливаются на внутренней стороне мембраны, заряжая ее отрицательно. Такое разделение зарядов по разные стороны мембраны является разновидностью диффузионного потенциала и описывается уравнением Нернста:

V_M=RT/F*lnC₁/C₂,

где R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, F — число Фарадея; С₁ и С₂— концентрации калия внутри и снаружи клетки. Зная, что концентрация ионов калия составляет внутри любой клетки порядка 5 мМ, а снаружи — около 100 мМ, Бернштейном были предсказаны величины потенциала покоя клеток порядка 80-100 мВ. По сравнению с измеряемыми в экспериментах теоретически рассчитанные значения оказались завышены на 10-20 мВ. Теория Бернштейна игнорировала обнаруженный впоследствии важный факт, что мембрана любой клетки пропускает не только ионы калия, но и хлора, а также — в меньшей степени — натрия. Так как содержание солей натрия в 40-50 раз выше в наружной среде, чем в клетке, то ионы натрия, постоянно просачиваясь в клетку по концентрационному градиенту, уменьшают абсолютную величину потенциала покоя на 15-25 мВ, создаваемого калиевым диффузионным потенциалом. Поэтому, начиная с 1940-50-х годов и по настоящее время для расчета потенциала покоя используют теорию постоянного поля Гольдмана-Ходжкина-Катца. Она постулирует, что стационарный потенциал, присутствующий на мембране клетки в состоянии покоя, обусловлен трансмембранным перепадом ионных концентраций и токами ионов в соответствии с относительной проницаемостью мембраны к ионам натрия, калия и хлора. Например, соотношение проницаемостей натрия, калия и хлора в состоянии покоя для мембраны нейрона равно 1:0,25:0,5, а для мембраны мышечного волокна — 1:0,20:2.

Несмотря на постоянный выход ионов  калия из клетки и вход ионов натрия в клетку, в состоянии покоя  не происходит заметных изменений внутриклеточных  концентраций этих ионов в клетке. Это происходит благодаря работе на мембране клетки специальных молекул, называемых натрий-калиевым насосом. Молекула насоса снабжена двумя разными активными  центрами, один из которых связывает  ионы натрия, накапливающиеся внутри клетки, другой — ионы калия, накапливающиеся  снаружи клетки. Вслед за связыванием ионов натрия и калия, молекула натрий-калиевого насоса способна сопряженно (одновременно) переносить их через мембрану против концентрационного градиента, то есть выкачивать ионы натрия наружу, и закачивать ионы калия внутрь клетки. Работа такого мембранного «насоса», обеспечивающего постоянство ионной среды и стабильность потенциала покоя клетки, происходит с затратой энергии АТФ.

 

 

1.7 Природа потенциала действия

 

Потенциал действия, разновидность биопотенциала, возникающего на мембране электровозбудимых клеток в ответ на раздражение электрическим полем, химическим или другим стимулом. При этом мембрана возбудимой клетки способна увеличивать свою проницаемость к ионам натрия, калия, кальция.

Генерация потенциала действия имеет двухфазную циклическую природу. В первой фазе возбуждения происходит реверсия (изменение знака) электрического заряда на мембране — потенциал  сдвигается от обычно имеющегося в  покое уровня порядка -50 — -90 мВ, до +20 — +40 мВ. Во второй фазе происходит восстановление исходного состояния мембраны, то есть и заряд, и потенциал на мембране быстро возвращаются к исходным значениям, характерным для состояния покоя  клетки.

Для объяснения природы токов, вызывающих быструю электрическую перезарядку  мембраны, а затем возврат и  заряда, и потенциала на мембране к  исходным значениям, в 1949-51 годах английскими  физиологами А. Л.Ходжкиным и А. Ф. Хаксли была предложена так называемая «натриевая гипотеза». Используя чрезвычайно удобный для экспериментов гигантский аксон кальмара, ученые показали, что электрический стимул отрицательной полярности, приложенный к мембране аксона, вызывает на ней кратковременное (в течение нескольких миллисекунд) и значительное (в 20-100 раз) повышение проницаемости к ионам натрия (первая фаза потенциала действия). Ионы натрия начинают быстро входить в клетку, так как их содержание в 30-40 раз выше в наружной среде по сравнению с цитоплазмой. Вход Na⁺не только нейтрализует отрицательный заряд, имеющийся исходно на внутренней стороне мембраны, до нуля, но и перезаряжает ее до положительных значений порядка +20 — +40 мВ. Затем Na-проницаемость самопроизвольно снижается до исходных низких значений. Во вторую фазу потенциала действия резко возрастает проницаемость мембраны к ионам калия, концентрация которых в 30-40 раз выше в цитоплазме клетки, чем в наружной среде, и они выходят из клетки по концентрационному градиенту, вынося положительные заряды и способствуя их накоплению на наружной стороне мембраны. Это сопровождается одновременным накоплением анионов на внутренней поверхности мембраны и реполяризацией мембраны вплоть до исходных значений заряда и потенциала (возвращение к состоянию покоя). Ходжкин и                                           Хаксли предположили, что на мембране возбудимых клеток существуют специальные молекулы — каналы, предназначенные для пропускания ионов натрия и калия через мембрану (см. Ионныеканалы). Эти каналы в покое неактивны (закрыты), но активируются на короткое время в ответ на действие раздражителя (электрического стимула). Ученым удалось описать проводимость мембраны к ионам натрия и калия во время генерации потенциала действия как функцию потенциала и времени с помощью серии дифференциальных уравнений и, таким образом, смоделировать натриевые и калиевые токи, текущие через мембрану при генерации потенциала действия. Ими были предсказаны и важнейшие свойства ионных каналов мембраны.

Важнейшими условиями для открывания натриевых каналов и генерации  потенциал действия является деполяризация  клетки до определенного уровня, называемого  критическим, или «пороговым». Только по достижении «пороговой» величины мембранного потенциала (порядка -50 — -30 мВ) происходит открывание натриевых, а затем и калиевых каналов, и  начинается генерация потенциала действия. Другой важнейшей особенностью генерации  потенциала действия является существование  короткого периода абсолютной и  относительной невозбудимости мембраны: в короткий период порядка 1-2 мс после  прекращения генерации потенциала действия не удается вызвать новую  генерацию потенциала действия. Этот период кратковременной нечувствительности мембраны, называемый рефрактерным периодом, определяется инактивированным состоянием натриевых каналов во вторую, реполяризационную  фазу генерации потенциала действия. Ионные каналы вновь приобретают  способность открываться в ответ  на пороговую деполяризацию лишь после возвращения мембранного  потенциала к уровню потенциала покоя.

Способность генерировать потенциал  действия свойственна лишь определенным, хотя и функционально различным  клеткам организма, которые называют возбудимыми: всем видам нейронов, мышечных клеток и мышечных волокон, рецепторным  клеткам органов чувств и железистым клеткам (гипофиза, надпочечников и  др).

Генерация потенциала действия является не внешним проявлением, а  самой сутью феномена возбуждения  клетки. Именно с помощью потенциала действия нейроны получают, перерабатывают и передают биологически важную информацию из внешней среды, а также от одной  клетки к другой, а мышечные клетки начинают сокращаться, а значит, обеспечивается двигательная активность органов, стенки которых состоят из возбудимых гладкомышечных клеток: сердца, сосудов, пищеварительного тракта. В железистых клетках потенциал  действия запускает процесс секреции.

В отличие от аксонов и  скелетных мышечных волокон, у большинства  возбудимых клеток (нейронов, клеток сердечной  мышцы и др.) в первой и второй фазе генерации потенциала действия существенное значение имеет участие наряду с натриевым и кальциевых входящих токов. Вторая фаза потенциала действия у них, как правило, обусловлена не одним, а целым семейством взаимодействующих калиевых, кальциевых и других токов. Амплитуда потенциала действия у каждой клетки является строго постоянной величиной; у разных типов клеток она колеблется незначительно и составляет по абсолютной величине порядка 90-110 мВ. Значительно более вариабельной является длительность потенциала действия, которая у разных типов возбудимых клеток может различаться на два порядка. Так, самыми кратковременными являются потенциал действия крупных миелинизированных аксонов двигательных нейронов (2-3 мс), а также скелетных мышечных волокон (3-4 мс). У клеток миокарда человека длительность потенциала действия на два порядка больше и составляет 300-400 мс, так как здесь во время генерации второй, длительной фазы потенциала действия в мышечную клетку поступают ионы кальция, необходимые для запуска сокращения: чем больше длительность каждого потенциала действия, тем больше сила сокращения сердца. В гладкомышечных клетках потенциалы действия возникают не всегда, и их длительность, в зависимости от типа клетки может составлять 10-30 мс (в клетках желудочно-кишечного тракта). Здесь сила сокращения мышцы зависит не от длительности потенциала действия, а от частоты генерации серии потенциалов (чем чаще один потенциал действия следует за другим, тем больше кальция поступает в клетки, и тем сильнее сокращение и выше тонус гладкой мышцы).

Уникальным  свойством потенциала действия является тот факт, что, возникая в одной  точке на мембране возбудимой клетки, он способен без затухания в виде бегущей волны распространяться по всей поверхности клетки, включая  ее отростки. Потенциал действия, распространяющийся от тела нервной клетки по ее длинному отростку — аксону — носит название нервного импульса.

Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения  иторможения у животных и человека и раздражимости у растений. Изменения амплитуды и длительности потенциала действия могут носить как функциональный, так и патологический характер. Исследования суммарных потенциалов действия клеток и органов применяют с диагностическими целями (электрокардиография,электроэнцефалография, электромиография).

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Живые существа жизненно заинтересованы в высокой скорости проведения нервного импульса по нерву, а значит, в высоких величинах λ. Повлиять на р_а трудно, так как оно зависит от электролитного состава протоплазмы, который примерно одинаков у всех видов животных. Головоногие моллюски пошли по пути увеличения радиуса нервного волокна r, создав гигантские аксоны. Позвоночные «изобрели» миелиновое волокно. Миелин содержит много холестерина и мало белка; его удельное сопротивление выше удельного сопротивления других биологических мембран. Кроме того, толщина миелиновой оболочки l в сотни раз превышает толщину обычной клеточной мембраны. Это обеспечивает высокие значения λ вмиелиновых нервных волокнах и сальтаторное (скачкообразное) распространение потенциала по ним от одного перехвата Ранвье к другому. Нарушение миелиновых оболочек при «миелиновых болезнях» приводит к нарушениям распространения нервного возбуждения по нервам и тяжелым расстройствам в функционировании нервной системы животных и человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. «Биофизика» Владимиров. Москва 2006 год.
2. Ходжкин А. Нервный импульс. 2003 год. 
3. Костюк П.Г. Электрогенный натриевый насос. 2004 год.
4. Биофизика. Том 1. Теоретическая биофизика Рубин. 2002 год.
5. Биофизика Волькенштейн. 2005 год.