Концентрационный и электрический градиенты

Для того, чтобы понять, как и почему возникает возбуждение в нервных или мышечных клетках, необходимо прежде всего, уяснить основные правила обмена веществами между клеткой и окружаю­щей её средой, поскольку ионы и небольшие молекулы одновремен­но растворены в водной среде клетки и во внеклеточном простран­стве, где их концентрация отличается от внутриклеточной. В среде биологов иногда говорят, что для исследования любой биологиче­ской проблемы Бог создал идеальный организм. Эксперименты, по­ложенные в основу мембранной теории, были проведены в 40-х го­дах XX века на гигантских аксонах кальмара.

Диаметр этих аксонов достигает 1 мм, их можно увидеть даже не­вооружённым глазом, в них легко вводить электроды, чтобы исследо­вать возникновение электрических сигналов - потенциалов действия. Именно на таком объекте работали основоположники мембранной тео­рии, британские физиологи Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли (Hodgkin A., Huxley А.), лауреаты Нобелевской премии 1963 года. Цитоплазма гигантских аксонов кальмара отличается от окружающей внеклеточной жидкости по концентрации некоторых ионов (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Распределение важнейших ионов при невозбуждённом состоянии мембраны гигантского аксона кальмара

Виды ионов	Цитоплазма ммоль/л	Внеклеточная жидкость ммоль/л	Равновесный потенциал мВ
Калий			-75
Натрий			+ 55
Хлор			-60
Анионы		нет	органические

Равновесный потенциал - такое значение трансмембранной раз­ности электрических зарядов, при котором ток ионов в клетку и из неё становится одинаковым, т.е. фактически ионы не перемещаются.

Как видно из таблицы, концентрация ионов калия внутри клет­ки намного больше, чем во внеклеточной жидкости, а концентрация ионов натрия и хлора, напротив, значительно больше во внеклеточ­ной жидкости. Органические анионы представляют собой крупные молекулы, которые не проходят через клеточную мембрану.

Корректно или нет делать какие-либо выводы о мембранах кле­ток теплокровных животных, тем более человека, изучая нервные клетки кальмара? Сравним их гигантские аксоны, например, с мы­шечными клетками теплокровных (табл. 4.2).

Результаты измерений концентраций ионов в разных клетках животных, относящихся к разным видам, дают, разумеется, и разные значения этих концентраций, но общим для всех клеток, у всех ви­дов животных является одно: концентрация ионов калия всегда боль­ше в клетке, а концентрация ионов натрия и хлора - во внеклеточной жидкости.

Эта разница концентраций или концентрационный градиент яв­ляется движущей силой для диффузии растворённых ионов в область меньшей концентрации или, в соответствии со вторым законом тер­модинамики, - к меньшему энергетическому уровню. Ещё раз взгля­нув на представленные в таблицах цифры, можно безошибочно пред­сказать, что катионы натрия должны диффундировать в клетку, а ка­тионы калия - из неё.

Однако не всё так просто, поскольку надо учесть и проницае­мость клеточной мембраны для различных ионов, а она изменяется в зависимости от состояния активности клетки. В покое у плазмати­ческой мембраны открыты лишь ионные каналы для калия, через которые не могут проходить другие ионы. Значит ли это, что через мембрану покоящейся клетки ионы калия могут выходить беспре­пятственно?

Таблица 4.2

Концентрация некоторых ионов в мышечных клетках теплокровных в ммоль/л

	Натрий	Калий	Хлор	Анионы органические
В клетке
Вне клетки				нет

Выходя из клетки, катионы калия уменьшают в ней количество положительных зарядов и одновременно увеличивают их количест­во на наружной поверхности мембраны. Остающиеся в клетке орга­нические анионы начинают ограничивать дальнейший выход катио­нов калия, поскольку между анионами внутренней поверхности мем­браны и катионами её наружной поверхности возникает электриче­ское поле и появляется электростатическое притяжение. Сама же кле­точная мембрана оказывается поляризованной: на наружной её по­верхности группируются положительные заряды, на внутренней - отрицательные.

Таким образом, если мембрана готова пропустить какие-либо ионы, то направление ионного тока будут определять два обстоятель­ства: концентрационный градиент и действие электрического поля, причём концентрационный градиент может направлять ионы в од­ном направлении, а электрическое поле - в другом. Когда эти две силы уравновешиваются, ток ионов практически прекращается, по­скольку количество входящих в клетку ионов становится равным ко­личеству выходящих. Это состояние называется равновесным потен­циалом (Е), а его значение можно вычислить с помощью уравнения HepHCTa(NernstW., 1888):

где R - газовая постоянная, Т- абсолютная температура (310 при температуре тела), z- валентность иона (для калия = 1), F- констан­та Фарадея, [К]_а - концентрация ионов калия вне клетки, [К]_; - кон­центрация ионов калия в клетке.

Если подставить в уравнение значение констант и концентра­цию ионов, то равновесный потенциал мембраны аксона кальмара для ионов калия окажется равным - 75 мВ (для мышечной мембра­ны теплокровных —97 мВ). Это означает, что при такой трансмем­бранной разности потенциалов и при таких значениях внутри- и вне­клеточной концентрации ионов калия их ток из клетки становится равным току в клетку. Если трансмембранная разность потенциалов сделается меньше, то ионы калия станут выходить из клетки до тех пор, пока не восстановится значение равновесного потенциала.

У находящихся в состоянии покоя клеток глии мембрана про­пускает только ионы калия, поэтому реальная трансмембранная раз­ность потенциалов у них совпадает с расчётной, т.е. со значением равновесного потенциала для калия -75 мВ. Но у большинства ней­ронов дело обстоит иначе, поскольку их мембрана в покое пропуска­ет не только ионы калия, но в небольшом количестве и ионы натрия и хлора. В связи с этим трансмембранная разность потенциалов оказывается несколько меньше, чем равновесный калиевый потенциал, но незначительно, так как проницаемость для ионов калия в покое намного выше, чем для ионов натрия и хлора.

Пользуясь уравнением Нернста нетрудно найти значение равно­весных потенциалов для любых ионов (для натрия и хлора они при­водятся в таблице 1). Равновесный потенциал для натрия равен + 55 мВ, а его концентрация во внеклеточной среде намного больше, чем в клетке; и то, и другое побуждает ионы натрия входить в клетку. Но в состоянии покоя клеточная мембрана не даёт им такой возможно­сти: её проницаемость для ионов натрия крайне мала.