Происхождение мембранного потенциала

Причина возникновения потенциала покоя общая для всех клеток. Между протоплазмой клетки и внеклеточной средой существует неравномерное распределение ионов, так называемая ионная асимметрия. Жизнь началась в воде. В мировом океане. И, выйдя на сушу, животные вынесли в себе, в буквальном смысле, частицу своей первой среды обитания. Состав нашей крови по солевому балансу напоминает состав океанской воды. То же самое можно сказать и об ионном составе внеклеточной среды в центральной нервной системе. Она тоже в какой-то мере напоминает ионный состав нашей прародины и содержит много хлористого натрия. А вот ионный состав цитоплазмы клеток в этом отношении много беднее. Натрия и хлора там значительно меньше, чем во внеклеточной среде; в 8—10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора. Основным катионом цитоплазмы является калий. Есть еще кальций и магний, но основной — это калий. Его концентрация внутри клетки в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде, и приблизительно равняется внеклеточной концентрации натрия. Основными противоионами для калия в цитоплазме являются органические анионы, в частности, анионы аспарагиновой, гистоминовой и других аминокислот. На самом деле молекул, несущих отрицательный суммарный заряд, то есть анионов, в клетке значительно больше, как органических (изетионат, глутомат, органические фосфаты и т. д.), так и неорганических (хлорид, фосфат, сульфат). Но мы, для того чтобы не запутать дальнейшее объяснение, в качестве примера будем использовать только те, которые перечислили первыми.

Описанная асимметрия — это, конечно же, нарушение термодинамического равновесия, и для того, чтобы восстановить его, ионы калия должны были бы постепенно покидать клетку, в то время как ионы натрия должны были бы стремиться в нее. Однако этого не происходит. Очевидно, для чего-то нужно, чтобы это нарушение сохранялось. Более того, на сохранение этого дисбаланса тратится энергия, которая поставляется за счет самого важного процесса в организме, за счет обмена веществ. Чуть позже мы постараемся ответить на этот вопрос, а пока попробуем понять, почему этот дисбаланс сохраняется. Для этого нам нужно познакомиться с еще одним, очень распространенным в нейрофизиологии понятием — «градиент». Градиент — это пространственно ориентированные количественные отличия в тех или иных физиологических или морфологических свойствах организма, изменяющиеся на каждом из этапов его развития. Проще говоря, это направление, в котором должны произойти изменения в какой-нибудь структуре. В данном случае — в клетке. Неравномерное распределение ионов приводит к появлению концентрационных ионных градиентов между цитоплазмой клетки и наружной средой; калиевый градиент направлен изнутри наружу, а натриевый и хлорный — снаружи внутрь.

Почему в таком случае концентрации калия и натрия не выравниваются? Ведь градиент существует? Тому есть два основных препятствия.

Первым препятствием для быстрого выравнивания разности концентраций ионов является тончайшая (100 А) плазматическая мембрана, покрывающая клетку. Она состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, покрытых изнутри слоем белковых молекул, а снаружи — слоем углеводов — мукополисахаридов. Некоторая часть клеточных белков встроена непосредственно в двойной липидный слой. Эти белки называются внутренними белками. Мембранные белки всех клеток делятся на пять классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы служат для перемещения ионов и молекул против концентрационных градиентов, используя для этого метаболическую энергию. Белковые каналы (или поры) обеспечивают избирательную диффузию через мембрану соответствующих им по размеру ионов и молекул. Рецепторные белки, обладающие высокой специфичностью, распознают и связывают, прикрепляя к мембране, многие типы молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки в каждый определенный момент времени. Ферменты облегчают течение химических реакций у поверхности мембраны. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры. Все эти белки специфичны, но не строго. В определенных условиях тот или иной белок может быть одновременно и насосом, и ферментом, и рецептором.

Итак, через каналы (или поры) мембраны молекулы воды, а также соответствующие размерам пор ионы входят в клетку и выходят из нее (рис. 5, слева). Проницаемость мембраны для различных катионов не одинакова и изменяется при разных функциональных состояниях ткани. В покое мембрана в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия, а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую проницаемость мембраны. Казалось бы, в покое равные концентрации калия в цитоплазме и натрия во внеклеточной среде должны обеспечить и равное количество положительных зарядов по обе стороны мембраны. Но поскольку проницаемость для ионов калия выше в 25 раз, то калий, выходя из клетки, делает ее поверхность все более положительно заряженной по отношению к внутренней стороне мембраны, около которой все более и более накапливаются слишком крупные для пор мембраны отрицательно заряженные молекулы аспарагиновой, гистоминовой и других аминокислот, «отпустивших» калий за пределы клетки, но «не дающих» ему уйти далеко благодаря своему отрицательному заряду.

Рис. 5. Происхождение мембранного потенциала

Два процесса рядом. Слева — пассивный, справа — активный. При пассивном процессе катионы калия (маленькие черные кружки) стремятся из клетки, где их много, во внеклеточную среду, где их концентрация в 30 раз ниже, чем в клетке. Катионы натрия (маленькие белые кружки), напротив, стремятся в клетку, но их встречный поток в 25 раз слабее. Слишком крупные для мембранных каналов отрицательно заряженные молекулы аминокислот (большие белые кружки) собираются у внутренней поверхности мембраны. При активном процессе в выводе из клетки ионов натрия и переносе в клетку ионов калия в соотношении 3:2 участвует фермент АТФаза, получающий для этого энергию от АТФ То есть с внутренней стороны мембраны копятся отрицательные заряды, а с внешней — положительные. Возникает разность потенциалов. Но что же удерживает эту разность на уровне 60—70 мВ? Не дает ей возрастать все более и более? Диффузный ток ионов натрия в протоплазму из внеклеточной жидкости. Пусть он в покое и слабее в 25 раз, чем встречный ток ионов калия, но он все-таки есть, и ионы натрия, проникая внутрь клетки, несколько снижают величину потенциала покоя, позволяя ей удерживаться на определенном уровне. Таким образом, величина потенциала покоя мышечных и нервных клеток, а также нервных волокон определяется соотношением числа положительно заряженных ионов калия, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов натрия, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Вторым препятствием является натрий-калиевый, или ионный, насос (рис. 5, справа). Этот клеточный механизм получил название натрий-калиевого, или ионного, насоса, поскольку осуществляет активное выведение (выкачивание) из протоплазмы проникающих в нее ионов натрия и введение (нагнетание) в нее ионов калия.

Источником энергии для работы ионного насоса является расщепление богатого энергией фосфорного соединения — аденозинтрифосфата (АТФ), которое происходит под воздействием фермента — аденозинтрифосфатазы (АТФаза), локализованной в мембране клетки и активируемой теми же ионами, то есть калием и натрием. Этот фермент еще называют натрий-калий-зависимой АТФазой. Это достаточно крупный белок, несколько превышающий по размеру толщину клеточной мембраны. Молекула этого белка, пронизывая мембрану насквозь, связывает с внутренней стороны преимущественно натрий и АТФ, а с наружной — калий и различные ингибиторы типа гликозидов. При этом возникает так называемый мембранный ток. Благодаря этому току обеспечивается соответствующее направление переноса ионов.

Перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс — ион-переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. И наконец, ион освобождается от переносчика на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении. Если насос осуществляет обмен одного иона натрия на один ион калия, то он просто поддерживает концентрационный градиент по обе стороны мембраны, но не вносит вклада в создание мембранного потенциала. Чтобы внести этот вклад, ионный насос должен переносить натрий и калий в соотношении 3:2, то есть на 2 иона калия, поступающих в клетку, из клетки он должен выводить 3 иона натрия. Работая с «максимальной нагрузкой», каждый насос способен перекачивать через мембрану около 130 ионов калия и 200 ионов натрия в секунду. Однако это предельные скорости. В реальных условиях работа каждого насоса регулируется в соответствии с потребностями клетки. У большинства нейронов на один квадратный микрон мембранной поверхности приходится от 100 до 200 ионных насосов. То есть мембрана любой, не очень крупной клетки содержит в себе около миллиона ионных насосов, способных перемещать до 200 миллионов ионов натрия в секунду.

Таким образом, мембранный потенциал (или потенциал покоя) создается в результате как пассивных, так и активных механизмов. Степень участия тех или иных механизмов в разных клетках не одинакова, из чего вытекает, что мембранный потенциал может быть неодинаковым в разных структурах. Так, активность насосов может зависеть от диаметра нервных волокон: чем тоньше волокно, тем отношение размера поверхности к объему цитоплазмы выше, а соответственно, и активность насосов, необходимая для поддержания разницы концентраций ионов на поверхности и внутри волокна, должна быть больше. Иными словами, мембранный потенциал может зависеть от структуры нервной ткани, а следовательно, и от ее функционального назначения.

А теперь вернемся к вопросу — зачем нужно, чтобы нервная система тратила энергию на поддержание ионного дисбаланса? Затем, что электрическая поляризация мембраны — это главное условие, обеспечивающее возбудимость клетки. Это ее постоянная готовность к действию. Это запас потенциальной энергии клетки, который она может использовать в случае, если нервной системе понадобится ее немедленная реакция.