Ионные токи через возбудимую мембрану

Наиболее распространенный метод исследования ионных каналов – это метод фиксации напряжения (voltage - clamp). Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне. Затем мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионных токов, которые могли бы деполяризовать клетку. Однако при этом пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это дает возможность получить величину ионного тока через мембрану.

Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покое и во время ПД можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch clamp). К мембране подводят микроэлектрод – присоску (внутри него создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. Таким методом было установлено, что через Na+ - каналы может проходить и К+, но его ток в 10 – 12 раз меньше. Na+ также может проходить через К+ - каналы в 100 раз менее интенсивно.

Резерв в клетке ионов, обеспечивающих возникновение возбуждения, огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5·105 раз без подзарядки, т. е. без работы Na/K – насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, определяющей запас ионов.

Если сила раздражителя, действующего на нервную ткань мала, деполяризация не достигает критического уровня, импульс не возникает. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить форму локального потенциала. Величина такого потенциала вариабельна, она может достигать 10 – 40 мВ. Локальными являются также возбуждающий и тормозной постсинаптические потенциалы, рецепторный и генераторный потенциалы.

 

2)Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина-Катца

Причина отклонения равновесного потенциала от опытных данных заключается в проницаемости мембраны и для других ионов, которые вносят свой вклад в образование мембранного потенциала. Основной вклад в суммарный поток зарядов, а следовательно, в создание и поддержание потенциала покоя, помимо К+, вносят ионы Na⁺, Cl^-. Суммарная плотность потока этих ионов с учетом их знаков равна

Знак «-» перед J_Cl^- указывает на отрицательный заряд.

В стационарном состоянии (когда параметры системы не изменяются) суммарная плотность потока равна нулю, т.е. число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу ионов, выходящих из клетки через мембрану: J = 0

Здесь, во избежание сложностей с индексацией, для обозначения концентрации вместо буквы с использованы квадратные скобки: []_i и[]₀ - концентрации соответствующих ионов внутри и вне клетки.

Очевидно, что формула для равновесного потенциала (12.7) получается из формулы стационарного потенциала (12.9) при Р_Na = 0 и Р_С1.= 0 Таким образом, уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца существенно уточняет теорию Бернштейна.

Большая часть сведений о нервных клетках получена при изучении аксона кальмара, достигающего почти миллиметровой толщины. Его изолированные нервные волокна довольно долго сохраняют способность передавать нервные импульсы. Рассчитаем стационарный мембранный потенциал для клеток аксона кальмара. При вычислении по формуле (12.9) вместо самих коэффициентов проницаемости можно использовать отношение между ними, которое для аксона выражается следующими числами:

Значения концентраций приведены ниже.

Подставив эти значения в формулу (12.9) при Т = 303 К (30 °С), получим:

Что достаточно хорошо согласуется со значением, определенным опытным путем

 

Потенциал покоя

Между наружной поверхностью клетки и ее цитоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов около 0, 06-0, 09 в, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения токов, очень мощных усилителей и чувствительных регистрирующих приборов - осциллографов.

Микроэлектрод (рис. 67, 69) представляет собой тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм. Этот капилляр заполняют солевым раствором, погружают в него металлический электрод и соединяют с усилителем и осциллографом (рис. 68). Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.

Наиболее полно происхождение потенциала покоя объясняет так называемая мембранно-ионная теория. Согласно этой теории все клетки покрыты мембраной, имеющей неодинаковую проницаемость для различных ионов. В связи с этим внутри клетки в цитоплазме в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем на поверхности. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. Диффузия положительно заряженных ионов калия из цитоплазмы на поверхность клетки придает наружной поверхности мембраны положительный заряд.

Таким образом, поверхность клетки в покое несет на себе положительный заряд, тогда как внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно за счет ионов хлора, аминокислот и других крупных органических анионов, которые через мембрану практически не проникают.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: