Потенциал покоя нейрона

Выполнение нейроном своих основных функций – генерации, проведения и передачи нервного импульса становится возможно в первую очередь потому, что концентрация ряда ионов внутри и вне клетки существенно различается. Наибольшее значение здесь имеют ионы K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-. Калия в клетке в 30-40 раз больше, чем снаружи, а натрия примерно в 10 раз меньше. Кроме того, в клетке гораздо меньше, чем в межклеточной среде, ионов хлора и свободного кальция.

Разность концентраций натрия и калия создается специальным биохимическим механизмом, называемым натрий-калиевым насосом. Он представляет собой белковую молекулу, встроенную в мембрану нейрона (рис. 6) и осуществляющую активный транспорт ионов. Используя энергию АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), такой насос обменивает натрий на калий в пропорции 3: 2. Для переноса трех ионов натрия из клетки в окружающую среду и двух ионов калия в обратном направлении (т.е. против градиента концентрации) требуется энергия одной молекулы АТФ.

При созревании нейронов происходит встраивание в их мембрану натрий-калиевых насосов (на 1 мкм² может быть расположено до 200 таких молекул), после чего начинается накачка в нервную клетку ионов калия и вывод из нее ионов натрия. В результате концентрация ионов калия в клетке возрастает, а натрия уменьшается. Скорость этого процесса может быть очень большой: до 600 ионов Nа⁺ в секунду. В реальных нейронах она определяется, прежде всего, доступностью внутриклеточного Nа⁺ и резко возрастает при его проникновении извне. В отсутствии любого из двух типов ионов работа насоса останавливается, поскольку она может протекать только как процесс обмена внутриклеточного Nа⁺ на внеклеточный K⁺.

Сходные системы переноса существуют и для ионов Cl^- и Ca²⁺. При этом ионы хлора выводятся из цитоплазмы в межклеточную среду, и ионы кальция обычно переносятся внутрь клеточных органоидов – митохондрий и каналов эндоплазматической сети.

Для понимания процессов, происходящих в нейроне, необходимо знать, что в мембране клетки есть ионные каналы, количество которых задано генетически. Ионный канал – это отверстие в особой белковой молекуле, встроенной в мембрану. Белок может менять свою конформацию (пространственную конфигурацию), в результате чего канал находится в открытом или закрытом состоянии. Существует три основных типа таких каналов:

- постоянно открытые;

- потенциалзависимые (вольтзависимые, электрочувствительные) - канал открывается и закрывается в зависимости от трансмембранной разности потенциалов, т.е. разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностями цитоплазматической мембраны;

- хемозависимые (лигандзависимые, хемочувствительные) - канал открывается в зависимости от воздействия на него того или иного вещества, специфичного для каждого канала.

Для изучения электрических процессов в нервной клетке применяется микроэлектродная техника. Микроэлектроды позволяют регистрировать электрические процессы в одном отдельно взятом нейроне или нервном волокне. Обычно это стеклянные капилляры с очень тонким кончиком диаметром меньше 1 мкм, заполненные раствором, проводящим электрический ток (например, хлористым калием).

Если установить два электрода на поверхности клетки, то между ними не регистрируется никакой разности потенциалов. Но если одним из электродов проколоть цитоплазматическую мембрану нейрона (т.е. кончик электрода окажется во внутренней среде), вольтметр зарегистрирует скачок потенциала примерно до -70 мВ (рис. 7). Такой потенциал назвали мембранным потенциалом. Его можно зарегистрировать не только у нейронов, но и в менее выраженной форме у других клеток организма. Но только в нервных, мышечных и железистых клетках мембранный потенциал может изменяться в ответ на действие раздражителя. В этом случае мембранный потенциал клетки, на которую не действуют никаким раздражителем, называют потенциалом покоя (ПП). В разных нервных клетках величина ПП отличается. Она колеблется в пределах от -50 до -100 мВ. За счет чего возникает этот ПП?

Исходное (до развития ПП) состояние нейрона можно охарактеризовать как лишенное внутреннего заряда, т.е. количество катионов и анионов в цитоплазме клетки равно за счет присутствия крупных органических анионов, для которых мембрана нейрона непроницаема. Реально такая картина наблюдается на ранних этапах эмбрионального развития нервной ткани. Затем по мере ее созревания включаются гены, запускающие синтез постоянно открытых K⁺-каналов. После их встраивания в мембрану ионы K⁺ получают возможность за счет диффузии свободно выходить из клетки (где их много) в межклеточную среду (где их гораздо меньше).

Но это не приводит к уравновешиванию концентраций калия внутри и вне клетки, т.к. выход катионов ведет к тому, что в клетке остается все больше нескомпенсированных отрицательных зарядов. Это вызывает образование электрического потенциала, препятствующего выходу новых положительно заряженных ионов. В результате выход калия продолжается до тех пор, пока не уравновесятся сила концентрационного давления калия, за счет которой он выходит из клетки, и действие электрического поля, препятствующее этому. В итоге между наружной и внутренней средой клетки возникает разность потенциалов, или равновесный калиевый потенциал, который описывается уравнением Нернста:

Е_K = (RT / F) (ln [К⁺]_о / [К⁺ ]_i),

где R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, F – число Фарадея, [К⁺]_o – концентрация ионов калия в наружном растворе, [К⁺ ]_i – концентрация ионов калия в клетке.

Уравнение подтверждает зависимость, которую можно вывести даже путем логических рассуждений – чем больше разность концентраций ионов калия в наружной и внутренней среде, тем больше (по абсолютной величине) ПП.

Классические исследования ПП проводили на гигантских аксонах кальмара. Их диаметр составляет около 0,5 мм, поэтому все содержимое аксона (аксоплазму), можно без особых проблем удалить и заполнить аксон раствором калия, концентрация которого соответствует его внутриклеточной концентрации. Сам аксон при этом помещали в раствор калия с концентрацией, соответствующей межклеточной среде. После этого регистрировали ПП, который оказался равным -75 мВ. Равновесный калиевый потенциал, рассчитанный по уравнению Нернста для этого случая, оказался очень близок к полученному в эксперименте.

Но ПП в аксоне кальмара, заполненном настоящей аксоплазмой, равен приблизительно -60 мВ. Откуда же возникает разница в 15 мВ? Оказалось, что в создании ПП участвуют не только ионы калия, но и ионы натрия. Дело в том, что кроме калиевых каналов в мембрану нейрона встроены и постоянно открытые натриевые каналы. Их гораздо меньше, чем калиевых, однако мембрана все же пропускает в клетку небольшое количество ионов Na⁺, в связи с чем у большинства нейронов ПП составляет –60-(-65) мВ. Ток натрия также пропорционален разности его концентраций внутри и снаружи клетки – поэтому чем меньше эта разность, тем больше по абсолютному значению ПП. Зависит ток натрия и от самого ПП. Кроме того, через мембрану диффундирует очень небольшое количество ионов Cl^-. Поэтому при расчете реального ПП уравнение Нернста дополняют данными о концентрациях ионов натрия и хлора внутри и вне клетки. В таком случае расчетные показатели оказываются очень близки к экспериментальным, что подтверждает правильность объяснения происхождения ПП диффузией ионов через мембрану нейрона.

Таким образом, конечный уровень потенциала покоя определяется взаимодействием большого числа факторов, основными из которых являются токи K⁺, Nа⁺ и деятельность натрий-калиевого насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равновесия этих процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и, соответственно, уровень возбудимости нервной клетки.

В результате описанных выше событий мембрана постоянно находится в состоянии поляризации – ее внутренняя сторона заряжена отрицательно по отношению к внешней. Процесс уменьшения разности потенциалов (т.е. уменьшения ПП по абсолютной величине) называется деполяризацией, а увеличения ее (увеличения ПП по абсолютной величине) - гиперполяризацией.