Уравнение постоянного поля ионных токов

Задачу по выводу формулы потенциала покоя для реальных клеток впервые взяли на себя Муллинс и Нода. С помощью внутриклеточных микроэлектродов они исследовали влияние изменения ионных концентраций на мембранный потенциал мышечной клетки. Подобно Голдману, Ходжкину и Катцу, они получили выражение, связывающее мембранный потенциал с проницаемостями и концентрациями отдельных ионов. Результат анало

гичен только что полученному нами уравнению, основанному на проводимостях и равновесных потенциалах:

где r - абсолютное значение соотношения ионного транспорта (3: 2). Уравнение точно описывает потенциал покоя при условии, что все остальные ионы, проникающие сквозь мембрану (такие как хлор), находятся в равновесии.

Распределение хлора

Насколько применимы подобные рассуждения для хлора? Как и для других ионов, суммарный ток хлора должен быть равен нулю. Как показано выше, равновесие ионов хлора достигается путем простого изменения его внутриклеточной концентрации, без изменения при этом мембранного потенциала. Тем не менее, во многих клетках существуют транспортные системы для хлора. В аксоне кальмара и в мышце активные транспортные системы переносят ионы хлора внутрь клетки; во многих нервных клетках, напротив, хлор выводится из клетки (см. рис.1). В результате активного транспорта хлора в клетку, его внутриклеточная концентрация возрастает, что приводит к усилению выходящего пассивного тока утечки хлора, равного по величине активному входящему току. Транспорт хлора из клетки наружу производит обратное действие.

Электрическая модель мембраны

Потенциалы ENa, ЕK и ЕCl показаны в виде батарей, а проводимости для натрия, калия и хлора изображены в виде сопротивлений (резисторов). Пассивные токи через сопротивления равны и противоположны токам, генерируемым соответствующими насосами, поэтому суммарный ток через мембрану для каждого иона равен нулю.

Ожидаемые значения мембранного потенциала

Для аксона кальмара соотношение констант проницаемости для натрия и калия приблизительно равно 0,04: 1,0. Воспользовавшись этими данными, а также значениями ионных концентраций, получим потенциал покоя в морской воде:

Становится очевидным, почему при изменении внеклеточной концентрации калия мембранный потенциал не строго подчиняется уравнению Нернста для калия. Если сравнить слагаемые в знаменателе, относящиеся к калию (1,5 x 10 = 15) и к натрию (0,04 x 460 = 18,4), то получится, что вклад калия составляет всего около 45%. По этой причине, увеличение внеклеточной концентрации калия вдвое не приведет к удвоению числителя (как было быв случае полного соответствия с уравнением Нернста), и, следовательно, эффект изменения уровня калия на мембранный потенциал меньше, чем в идеальной ситуации, когда калий является единственным проводящим ионом. Когда внеклеточная концентрация калия возрастает до существенных значений (100 ммоль), то роль калиевого компонента в знаменателе становится подавляющей, и кривая зависимости приближается к своему теоретическому углу наклона (58 мВ на 10-кратное увеличение концентрации калия). Многие калиевые каналы обладают чувствительностью к мембранному потенциалу и открываются при деполяризации, вызванной увеличением внеклеточной концентрации калия. В результате подобного увеличения проницаемости для калия вклад натрия в формирование мембранного потенциала дополнительно снижается.

Вообще, потенциал покоя нервных клеток приблизительно равен - 70 мВ. В некоторых клетках, например в скелетной мышце позвоночных, потенциал покоя может быть - 90 мВ или даже больше, что объясняется значительным превосходством калиевой проводимости над натриевой. Натриевая проводимость глиальных клеток настолько мала, что их потенциал покоя практически равен калиевому равновесному потенциалу. В таких клетках, как, например, нейроны ганглиев пиявки или рецепторы сетчатки, натриевая проводимость достаточно велика, а потенциал покоя составляет всего - 40 мВВклад натрий-калиевого насоса в мембранный потенциал.

Натрий-калиевый насос является электрогенным, потому что за каждый цикл его работы из клетки выводится один суммарный положительный заряд, тем самым увеличивая отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны клетки. Насколько велик этот вклад в заряд на мембране? Чтобы ответить на этот вопрос, представим себе, что насос не электрогенен, а нейтрален, то есть соотношение ионов, переносимых насосом внутрь и наружу клетки, равно единице. С учетом этого условия проведем вычисления:

Поскольку полученный потенциал покоя на 6 мВ менее отрицателен, то можно сделать вывод о том, что вклад насоса в потенциал покоя равен - 6 мВ. При условии транспорта ионов в соотношении 3: 2 вклад насоса в потенциал покоя не может превысить - 11 мВ. При остановке ионообмена его влияние на величину потенциала покоя прекращается, и потенциал покоя постепенно снижается по мере накопления в клетке ионов натрия и выхода из нее калия.

Ионные каналы, участвующие в формировании потенциала покоя

Наличие проводимости для натрия, калия и хлора в состоянии покоя было показано во многих клетках. Интересно отметить, что ионные каналы, обеспечивающие эти проводимости, до сих пор не были определены ни в одном типе клеток. Кандидаты на роль калиевых каналов, активных в диапазоне потенциала покоя, различны в зависимости от типа клеток. Среди них есть каналы, активируемые внутриклеточными катионами: натрий-активируемые и кальций--активируемые калиевые каналы. Кроме того, многие нервные клетки обладают так называемым калиевым каналом типа "М", которые открыты при потенциале покоя и закрываются при участии внутриклеточных посредников. Активация большого количества потенциал-зависимых калиевых каналов (то есть "замедленного выпрямителя" - delayed rectifier, и каналов типа "А") при потенциале покоя маловероятна. Однако, даже 0,1-1% от их общего числа было бы достаточно, чтобы создать проводимость, сравнимую с проводимостью в покое.

Конкретные носители натриевой проводимости в нервных клетках также неизвестны. В некоторой степени, вход натрия может происходить через калиевые каналы, для большинства из которых проницаемость для натрия составляет от 1 до 3% от калиевой проницаемости. Кроме того, открытые катионные каналы могут способствовать как выходу калия, так и входу натрия, поскольку большая часть этих каналов не обладает высокой селективностью к калию по сравнению с натриевой. Дополнительный источник входящего в клетку натрия - это натрий--зависимые вторичные активные транспортные системы. Наконец, потенциал--чувствительные натриевые каналы также вносят свой вклад в натриевую проводимость в покое, поскольку эта проводимость блокируется тетродотоксином, хотя и в небольшой степени).

Хлорные каналы семейства CLC широко распространены в нервных и мышечных клетках. Наличие хлорных каналов обеспечивает стабилизацию мембранного потенциала. Эти каналы также участвуют в установлении внутриклеточной концентрации хлора, взаимодействуя с системами хлорного транспорта. При низком уровне экспрессии каналов CLC, например, в нейронах эмбрионального гиппокампа, значение ЕCl менее отрицательно по сравнению с потенциалом покоя, благодаря вкладу активного транспорта ионов хлора внутрь клетки и их накоплению в цитоплазме. В нейронах взрослого животного экспрессия каналов CLC более выражена, и мембранная проводимость для хлора выше, поэтому накопление внутриклеточного хлора невозможно, и ЕСl равен мембранному потенциалу. В клетках центральной нервной системы до 10% проводимости мембраны при потенциале покоя обеспечивается за счет хлорных каналов.

 Скачать реферат