Мембранный потенциал - потенциал покоя - ВОЗБУДИМОСТЬ: ТО, ЧТО ДЕЛАЕТ НАС ЖИВЫМИ

Для обнаружения и измерения электрических процессов в клетке обычно используют стеклянные электроды. Микроэлектрод представляет собой очень тонкую трубочку из особого сорта стекла, заполненную раствором хлористого калия (КСI), хорошо проводящим электрический ток. Конец этой трубочки вытянут, его диаметр не должен превышать 1 мкм, т. е. одну миллионную долю метра. Такой кончик не нанесет клетке больших повреждений, и она сможет жить и работать, несмотря на то, что ее наружная мембрана проткнута микроэлектродом. Электрод соединен проводником с измерителем напряжения - вольтметром (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема измерения потенциала покоя (ПП)

В тот момент, когда электрод протыкает наружную мембрану клетки и погружается в ее цитоплазму, прибор зарегистрирует скачок напряжения, который в случае нейрона составит приблизительно 70 мВ. Таким образом, з состоянии покоя нейрон, как и другие возбудимые клетки, заряжен изнутри отрицательно по отношению к своей внешней поверхности. Этот отрицательный потенциал назвали потенциалом покоя, или мембранным потенциалом. Он довольно значительно варьирует у различных типов возбудимых клеток п может составлять от —30 мВ до —100 мВ.

Потенциал покоя был открыт Эмилем Дюбуа-Реймоном в середине XIX в. Этот физиолог не мог иметь в своем научном арсенале тонких электродов, однако он мог надрезать мышцу лягушки поперек волокон и измерить разность потенциалов между местом повреждения и окружающей средой. Оказалось, что эта разность составляет около 50 мВ. Дюбуа-Реймон назвал зарегистрированные данные током повреждения. А что собой представляет содержимое ранки? Это смесь внутреннего содержимого разрушенных клеток и окружавшей их межклеточной жидкости. И хотя это не только внутренняя среда клетки, но и в ней можно зарегистрировать отрицательный заряд. Затем Дюбуа-Реймон смог измерить потенциал повреждения, нанеся разрез на толстый седалищный нерв. А ведь нерв - это пучок длинных отростков нервных клеток - аксонов. И надрезав его, физиолог мог ввести электрод как бы внутрь многих клеточных отростков. В месте повреждения нерва ученый зарегистрировал величину разности потенциалов с внешней средой в -20 мВ.

Какова же природа отрицательного заряда возбудимых клеток? Дюбуа-Реймон, пытаясь объяснить полученные результаты, опирался на физические теории своего времени. Так, великий французский физик Андре Ампер объяснял свойства постоянных магнитов тем, что каждая молекула представляет собой маленький магнитик с положительным и отрицательным полюсами. Дюбуа-Реймон полагал, что вдоль мышц и нервов проходят цепочки из особых “электромагнитных молекул”. Каждая подобная молекула представляет собой два гальванических элемента, соединенных положительными полюсами так, что наружу направлены только отрицательные полюса. Если мышцу или нерв повредить, то на поверхность разреза всегда будут выходить отрицательные полюса, поэтому ранка изнутри и заряжена отрицательно.

Дюбуа-Реймон выдвинул данную гипотезу в 1846 г. Она благополучно просуществовала почти 25 лет, а затем в ней усомнились ученики Дюбуа-Реймона - Лудимар Герман и Юлиус Бернштейн. Герман считал, что никаких потенциалов и токов в целой неповрежденной мышце не существует. Возникает этот потенциал, а как следствие, и токи между неодинаково заряженными участками мышцы только в результате повреждения или сильного раздражения. Так возник спор между представителями двух направлений в электрофизиологии: возникает ли потенциал в мышце только в момент повреждения (гипотеза альтерации или повреждения) или же он существует и в неповрежденной мышце (гипотеза предсуществования потенциала)?

За первую гипотезу ратовал Герман, за вторую - Бернштейн. Победил последний. Именно Бернштейн заложил основы мембранной теории биопотенциалов. Первая статья Бернштейна по мембранной теории появилась в 1902 г., а 1912 г. вышла его книга “Электробиология”. Естественно, один, без сведений, полученных другими исследователями, разработать революционную теорию, объясняющую причины возникновения “животного электричества”, Бернштейн не мог. Какие же достижения биологии, химии и физики помогли ученому в его работе?

К концу XIX в. немецкий ботаник и физиолог растений Вильгельм Пфеффер сделал вывод о том, что клетки покрыты полупроницаемой мембраной, через которую одни частицы проходят, а другие нет. Шведский физико-химик Сванте Аррениус установил, что многие вещества в растворах распадаются на заряженные частицы - ионы. Таким образом он пришел к мысли об электролитической диссоциации: в растворе NaCl распадется на две частицы Na⁺ и Cl^-, КСl^- на К⁺ и Сl^-. До Аррениуса считалось, что ионы возникают в растворе только под действием электрического тока. Однако оказалось, что в растворах и без воздействия электрического тока существуют и двигаются заряженные частицы.

В 1890 г. Вильгельм Оствальд, который, в частности, занимался созданием и изучением искусственных полупроницаемых пленок, предположил, что полупроницаемость мембран может быть причиной некоторых электрических явлений. Наконец, Вальтер Нернст измерил разницу потенциалов, возникающую между двумя растворами с различной концентрацией веществ, разделенными полупроницаемой мембраной (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Опыт Вальтера Нернста по измерению разницы потенциалов

Нернст разделил емкость на две части мембраной, проницаемой только для положительно заряженных ионов - катионов. В один отсек (I) он налил 10%-ный раствор, а во второй (II) 1%-ный раствор хлорида калия. Естественно, что в обоих растворах произошла диссоциация КСl на К⁺ и Сl^-, но в отсеке I исходно было в 10 раз больше и катионов (К⁺) и анионов (Сl^-), чем в отсеке II. Так как разделяющая растворы полупроницаемая мембрана хорошо пропускает катионы, то часть ионов калия (К⁺) перейдет из отсека I, где концентрация КСlисходно выше, в отсек II, в котором концентрация КСl в 10 раз ниже. Поскольку ионы калия несут положительный заряд, то положительных зарядов в отсеке II будет больше, чем отрицательных. В отсеке I теперь окажется некоторый избыток “брошенных” анионов хлора, потерявших свои катионы калия. Но отрицательно заряженные ионы Сl^- будут притягивать назад часть положительно заряженных ионов К⁺ за счет взаимодействия электрических зарядов. Через несколько мгновений потоки К⁺, переходящие из отсека I в отсек II и, наоборот, из отсека II в отсек I, станут равными. Однако в отсеке I ионов К⁺ будет все равно меньше, чем ионов Сl^- (ведь часть К⁺ перешла в отсек II), а в отсеке II сложится противоположная ситуация (за счет “пришельцев” из отсека I). Таким образом, в растворе, находящемся в отсеке I будет избыток отрицательно заряженных ионов хлора, а в отсеке II - избыток положительно заряженных ионов калия. Значит, раствор в отсеке I будет заряжен отрицательно по отношению к раствору в отсеке II. Между растворами установится нернстовский потенциал. Согласно уравнению Нернста, этот потенциал равен

где E - величина потенциала, возникающая между растворами, налитыми в отсек I и отсек II;

R - газовая постоянная;

T - температура;

F - число Фарадея;

Z — валентность иона;

[С]_I- концентрация ионов К⁺ в отсеке I;

[С]_II - концентрация ионов К⁺ во отсеке II.

Великий физикохимик В. Нернст обладал специфическим чувством юмора. Так, он предпочитал аквариумных рыбок, объясняя свое пристрастие тем, что рыбы - холоднокровные животные и находятся в состоянии термодинамического равновесия с внешней средой. Теплокровные кошки и собаки, по мнению ученого, только обогревают космос за счет кормов хозяина.

Бернштейн предложил использовать уравнения Нернста для определения мембранного потенциала. Вначале трудно было определить, какой именно ион может проходить через полупроницаемую мембрану, окружающую возбудимую клетку. В 1905 г. сотрудник Нернста Гебер получил экспериментальные данные, которые свидетельствовали о том, что таким ионом может быть именно К⁺. Однако разность концентраций катионов калия внутри и вне клетки оказалась не 1:10, как в искусственной экспериментальной системе В. Нернста. Например, в мышечных клетках калия в 40 раз больше, чем в среде, окружающей клетки. Зато в окружающей среде, т. е. вокруг возбудимых клеток, ионов натрия (Nа⁺) приблизительно в 10 раз больше, чем внутри. При этом, когда клетка находится в покое, натрий практически не может проникать сквозь клеточную мембрану внутрь клетки и не участвует в создании потенциала покоя.

За последние 70 лет многие ученые путем оригинальных, а очень часто - красивых экспериментов окончательно доказали: отрицательный заряд покоящейся возбудимой клетки обусловлен тем, что часть К⁺ выходит через наружную мембрану во внешнюю среду и в цитоплазме клетки остается избыток отрицательно заряженных ионов, т. е. анионов.