Вычисление диффузионного потенциала. Измерение мембранного потенциала клетки
Когда мембрана проницаема для нескольких различных ионов, суммарный диффузионный потенциал зависит от трех факторов: полярности электрического заряда каждого иона; (2) проницаемости мембраны (Р) для каждого иона; (3) концентраций (С) соответствующих ионов внутри (i) и снаружи мембраны (о). Формула, которую называют уравнением Голъдмана, или уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца, позволяет рассчитать мембранный потенциал на внутренней стороне мембраны, если она проницаема для 2 одновалентных положительных ионов (Na+ и К+) и 1 одновалентного отрицательного иона Сl-.
Рассмотрим это уравнение. Во-первых, ионы натрия, калия и хлора — самые важные ионы, участвующие в генерации мембранных потенциалов нервных и мышечных волокон, а также в нейронах нервной системы. Градиент концентрации каждого из этих ионов по обе стороны мембраны помогает определить величину мембранного потенциала.
Во-вторых, степень вклада каждого из этих ионов в величину мембранного потенциала пропорциональна проницаемости мембраны для этого иона. Так, если мембрана имеет нулевую проницаемость для ионов калия и хлора, мембранный потенциал полностью определяется только градиентом концентрации ионов натрия, и результирующий потенциал равен потенциалу Нернста для натрия. Это справедливо для любого из двух других ионов, если мембрана избирательно проницаема только для одного из них.
В-третьих, градиент концентрации положительного иона, направленный изнутри наружу, ведет к появлению отрицательного заряда внутри клетки. Это связано с тем, что при более высокой концентрации положительных ионов с внутренней стороны мембраны по сравнению с наружной стороной их избыток диффундирует наружу. При этом положительные заряды выходят наружу, а не способные к диффузии анионы остаются внутри клетки, создавая электроотрицательность с внутренней стороны мембраны. Если существует градиент для отрицательно заряженного аниона, возникает противоположный эффект. Например, избыток анионов хлора снаружи ведет к появлению отрицательного заряда внутри клетки, поскольку отрицательно заряженные ионы хлора диффундируют внутрь клетки, оставляя снаружи не способные к диффузии положительные ионы.
В-четвертых, проницаемость натриевых и калиевых каналов подвергается быстрым изменениям во время передачи нервных импульсов, тогда как проницаемость хлорных каналов во время этого процесса существенно не меняется. Следовательно, за передачу сигналов в нервных волокнах ответственны главным образом быстрые изменения натриевой и калиевой проницаемости.
А. Установление диффузионного потенциала по обе стороны мембраны нервного волокна в связи с диффузией ионов калия изнутри клетки наружу через мембрану, избирательно проницаемую только для калия.
Б. Установление диффузионного потенциала, если мембрана нервного волокна проницаема только для ионов натрия. Обратите внимание, что внутренняя сторона мембраны отрицательна, когда диффундируют ионы калия, и положительна, когда диффундируют ионы натрия, из-за противоположных градиентов концентрации этих двух ионов.
Измерение мембранного потенциала клетки
Метод измерения мембранного потенциала теоретически прост, однако его осуществление на практике часто бывает сложным из-за малого размера большинства волокон. Клеточную мембрану прокалывают насквозь пипеткой и вводят ее внутрь волокна. Другой электрод, называемый индифферентным, располагают во внеклеточной жидкости, и с помощью соответствующего вольтметра измеряют разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны. Вольтметр представляет собой весьма сложное электронное устройство, которое позволяет измерять очень малые напряжения, несмотря на чрезвычайно высокое сопротивление электрическому току кончика микропипетки, диаметр которого — менее 1 мкм, а сопротивление — более 1 млн Ом. Для регистрации быстрых изменений мембранного потенциала при передаче нервных импульсов микроэлектрод соединяют с осциллоскопом.
Нижняя часть рисунка демонстрирует величину электрического потенциала, измеряемого в любой точке внутри нервного волокна или у его мембраны (на рисунке слева направо). Пока электрод находится снаружи мембраны нервного волокна, регистрируется нулевой потенциал, соответствующий потенциалу внеклеточной жидкости. Затем при прохождении регистрирующего электрода через зону изменения напряжения на клеточной мембране (так называемый электрический дипольный слои) потенциал резко снижается до -90 мВ. Во время движения электрода через центр волокна величина потенциала остается на постоянном уровне -90 мВ, однако возвращается к нулю в момент прохождения электрода через мембрану на противоположную сторону волокна.
Чтобы зарядить мембрану отрицательно изнутри, нужно транспортировать наружу положительные ионы в количестве, достаточном лишь для развития электрического дипольного слоя на самой мембране. Все остальные ионы внутри нервного волокна могут быть и положительными, и отрицательными. Следовательно, для установления нормального потенциала покоя величиной в -90 мВ внутри нервного волокна через мембрану должно перейти очень небольшое число ионов, т.е. около 1/3000000 — 1/100000000 общего числа положительных зарядов внутри волокна. Соответственно, перемещение столь же небольшого числа положительных ионов снаружи внутрь волокна может обеспечить изменение (реверсию) потенциала от -90 мВ до +35 мВ менее чем за 1/10000 сек.
Измерение мембранного потенциала нервного волокна с помощью микроэлектрода
Распределение положительных и отрицательных ионов во внеклеточной жидкости, окружающей нервное волокно, и в жидкости внутри волокна. Обратите внимание на выстраивание отрицательных зарядов вдоль внутренней поверхности мембраны и положительных зарядов вдоль наружной поверхности. Нижняя часть рисунка демонстрирует резкие изменения мембранного потенциала, которые регистрируются у мембраны с обеих сторон волокна.
