Мембранный потенциал покоя и механизм его формирования.

Потенциал покоя (ПП) – это разность между электрическими потенциалами внутренней и наружной среды клетки. Его величина обычно варьирует в пределах 30-90 мВ. При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки. ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца. Согласно мембранно-ионной теории, непосредственной причиной формирования ПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки. В нервных и мышечных клетках концентрация К⁺ внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na⁺ вне клетки в 10-12 раз больше, чем в клетке. Ионов Cl вне клетки в 15-20 раз больше, чем внутри клетки. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg²⁺. Кальций в свободном состоянии находится в основном вне клетки, он содержится также в эндоплазматическом ретикулуме, в гиалоплазме его очень мало, что обусловливается отчасти активным транспортом Ca²⁺ наружу через клеточную мембрану, а отчасти поглощением его эндоплазматическим ретикулумом (резервуар для Ca²⁺) и другими органеллами, например митохондриями, связыванием Ca²⁺ - цитратом, глютаматом. В клетке находятся также крупномолекулярные анионы, главным образом это отрицательно заряженные белковые молекулы, например глютамат, аспартат, а также органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны, во-первых, вследствие неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для различных ионов, во-вторых, в результате работы ионных насосов, транспортирующих ионы в клетку и из клетки вопреки концентрационному и электрическому градиентам.

ПП формируется в два этапа:

Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na⁺ на K⁺ в соотношении 3: 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ, обеспечивает его электрогенность.

Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:

1. Дефицит ионов натрия (Na⁺) в клетке.

2. Избыток ионов калия (K⁺) в клетке.

3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).

Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K⁺. Ионы калия K⁺ покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до -70 мВ.

Роль ионных насосов в формировании ПП: В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию (утечку) ионов, ПП клеток остается на основном уровне. Следовательно, кроме собственно ионных механизмов формирования ПП, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки. Им являются ионные насосы, в частности Na⁺/ K⁺ -насос (помпа).

Ионный насос – это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам. Как выяснилось, выведение Na⁺ сопряжено с транспортом K⁺, что можно продемонстрировать при удалении K⁺ из наружного раствора. Если K⁺ на наружной стороне мембраны нет, работа насоса блокируется, перенос Na⁺ из клетки снижается, составляя примерно 30% от нормального уровня. Сопряженность транспорта Na⁺ и K⁺ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребовалась бы при несопряженном транспорте. Накопление Na⁺ в клетке стимулирует работу Na⁺/K⁺- насоса, уменьшение Na⁺ в клетке снижает его активность, поскольку снижается вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. В результате сопряженного транспорта Na⁺ и K⁺ поддерживается постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула аденозинтрифосфата (АТФ) обеспечивает один цикл работы Na⁺/ K⁺ -насоса: перенос трех ионов Na⁺ за пределы клетки и двух ионов K⁺ внутрь клетки. Ассиметричный перенос ионов Na⁺/ K⁺ -насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц вне клетки и отрицательных зарядов внутри клетки, что позволяет считать Na⁺/ K⁺ -насос электрогенной структурой, дополнительно увеличивающей ПП примерно на 5-10 мВ. Данный факт свидетельствует о том, что решающим фактором в формировании ПП является селективная проницаемость клеточной мембраны для разных ионов.