Нормальная физиология, физиология челюстно-лицевой области — ПСБГПМУ, Стоматология
Мембранный потенциал покоя (МПП) – это стабильная разность электрических потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью, регистрируемая у всех возбудимых клеток в состоянии физиологического покоя. Для большинства нейронов и мышечных волокон млекопитающих величина МПП составляет от -60 до -90 мВ (цитоплазма заряжена отрицательно относительно наружной среды).
Формирование МПП возможно только при одновременном выполнении трёх обязательных условий:
Внутри клетки (цитоплазма) и снаружи (плазма крови, интерстиций) концентрации основных ионов принципиально различаются:
| Ион | Внутриклеточная концентрация (ммоль/л) | Внеклеточная концентрация (ммоль/л) | Градиент (направление при равновесии) |
|-----|---------------------------------------|--------------------------------------|---------------------------------------|
| K⁺ | 140–150 | 4–5 | Из клетки наружу |
| Na⁺ | 10–15 | 140–150 | Снаружи внутрь |
| Cl⁻ | 4–10 | 100–120 | Снаружи внутрь |
| Органические анионы (A⁻) | ~100 | 0 | Не выходят из клетки |
> [!simple] Простыми словами: Внутри клетки много калия и отрицательных белков, снаружи – много натрия и хлора. Эта разница создаётся и поддерживается активным транспортом.
Плазматическая мембрана в состоянии покоя обладает различной проницаемостью для разных ионов. Установленный ряд проницаемости (коэффициенты G, проводимость):
G_K⁺ >> G_Cl⁻ > G_Na⁺ >> G_A⁻
Именно высокая проницаемость для ионов K⁺ – ключевой фактор создания отрицательного заряда внутри клетки.
Na⁺/K⁺-АТФаза – интегральный мембранный белок, который с затратой энергии АТФ переносит:
Этот транспорт является электрогенным (создаёт разность потенциалов), так как выносит один положительный заряд наружу за один цикл. Вклад насоса в величину МПП составляет от -4 до -10 мВ (прямой электрогенный эффект). Кроме того, насос поддерживает сами ионные градиенты, без которых пассивная диффузия калия была бы невозможна.
> [!example] Пример: При блокаде Na⁺/K⁺-АТФазы строфантином (уабаином) МПП сначала незначительно снижается за счёт исчезновения прямого электрогенного эффекта, а затем постепенно падает до 0 из-за выравнивания концентраций ионов.
---
Формирование потенциала покоя – это результат равновесия между пассивной диффузией ионов по электрохимическим градиентам и активным транспортом.
Поскольку проницаемость для K⁺ максимальна, калий начинает выходить из клетки по концентрационному градиенту (из области высокой [K⁺]ᵢ в область низкой [K⁺]ₒ). Каждый вышедший ион K⁺ уносит положительный заряд, оставляя в цитоплазме избыток отрицательных анионов (A⁻, Cl⁻, фосфаты). Это приводит к накоплению отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны.
Возникающий отрицательный заряд начинает электрически притягивать положительно заряженные катионы обратно в клетку. Когда электрическая сила, возвращающая K⁺ внутрь, уравновешивает концентрационную силу, выталкивающую K⁺ наружу, устанавливается динамическое равновесие. Потенциал, при котором это происходит, называется равновесный потенциал для калия (E_K) и описывается уравнением Нернста:
> [!formula] Уравнение Нернста для калия
>
> Расшифровка: при 37°C (310 K) для одновалентного иона (z=1) упрощённо:
>
> Подстановка нормальных концентраций (5/150) даёт значение около -90 мВ.
> [!simple] Простыми словами: Равновесный потенциал калия – это тот уровень заряда внутри клетки, при котором приток и отток калия уравновешиваются. Для нормальных концентраций это примерно -90 мВ.
Несмотря на низкую проницаемость покоя для Na⁺, некоторое количество натрия все же проникает внутрь через редкие открытые натриевые каналы и через "утечку". Натрий входит по концентрационному градиенту (высокая концентрация снаружи, низкая – внутри) и приносит положительный заряд, частично компенсируя отрицательность, создаваемую калием.
Равновесный потенциал для натрия (E_Na) (вычисляется по тому же уравнению Нернста при [Na⁺]ₒ/[Na⁺]ᵢ ≈ 140/15) составляет около +60 мВ. Фактическая проницаемость для Na⁺ в покое очень низкая (P_Na составляет около 0,02–0,04 от P_K), поэтому его вклад сдвигает МПП в положительную сторону на +5–+10 мВ относительно E_K.
Cl⁻ в большинстве возбудимых клеток распределён пассивно – его перенос не требует активного транспорта. Проницаемость мембраны для хлора в покое относительно высока. Поскольку концентрация Cl⁻ снаружи выше, чем внутри, он стремится войти в клетку, внося отрицательный заряд внутрь. Обычно E_Cl (равновесный потенциал для хлора) близок к МПП (около -65…-70 мВ), поэтому хлор выполняет роль буфера, препятствующего резким изменениям потенциала.
Как уже указано, насос выносит 3 Na⁺ и вносит 2 K⁺, создавая чистый вынос одного положительного заряда за цикл. В условиях покоя это даёт дополнительную гиперполяризацию на -4…-10 мВ (прямой электрогенный вклад). Параллельно насос поддерживает градиенты – косвенный вклад, без которого весь механизм пассивной диффузии был бы невозможен.
---
Поскольку мембрана проницаема для нескольких ионов одновременно, МПП не равен ни одному из равновесных потенциалов. Его точная величина вычисляется по уравнению постоянного поля (GHK):
> [!formula] Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца
>
> Расшифровка: это взвешенное среднее равновесных потенциалов с учётом проницаемостей.
> Для типичной возбудимой клетки (P_K : P_Na : P_Cl = 1 : 0,04 : 0,45) расчет даёт -70…-75 мВ.
Зависимость от внешнего калия: Повышение [K⁺]ₒ (например, при гипоксии, некрозе) уменьшает градиент K⁺, снижает выход калия и деполяризует мембрану (МПП становится менее отрицательным). Снижение [K⁺]ₒ, наоборот, вызывает гиперполяризацию. Это важнейшая клиническая закономерность, особенно в кардиологии и неврологии.
> [!example] Пример: При гиперкалиемии (уровень K⁺ в плазме >6 ммоль/л) МПП клеток миокарда сдвигается с -90 мВ до -70…-60 мВ. Это снижает амплитуду потенциала действия и нарушает проведение возбуждения – развивается аритмия.
---
1. Активность Na⁺/K⁺-АТФазы – зависит от доступности АТФ, внутриклеточного Na⁺ и внеклеточного K⁺.
2. Проницаемость калиевых каналов утечки – модулируется pH, ионами Ca²⁺, нейромедиаторами.
3. Пассивная диффузия Cl⁻ – пассивное перераспределение хлора стабилизирует потенциал.
> [!critical] Ключевой факт: Мембранный потенциал покоя примерно на 80–90% определяется диффузией ионов калия из клетки по концентрационному градиенту. Математически: при проницаемости для Na⁺, стремящейся к нулю, и при работающем насосе значение МПП приближается к E_K. Любое изменение внеклеточного K⁺ прямо и немедленно влияет на величину МПП.
---
Итог. Мембранный потенциал покоя формируется главным образом за счёт пассивного выхода K⁺ через калиевые каналы утечки при высокой проницаемости мембраны для калия, умеренной – для хлора и очень низкой – для натрия, а также за счёт электрогенной работы Na⁺/K⁺-АТФазы. Итоговая величина МПП является динамическим равновесием между диффузионными потоками и активным транспортом и всегда остаётся отрицательной на внутренней стороне мембраны.