Нормальная физиология — ПСБГПМУ, Педиатрия
Мембранный потенциал покоя (МПП) — это стационарная разность электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны в состоянии функционального покоя. Для большинства возбудимых клеток (нейронов, мышечных волокон) величина МПП составляет от -50 до -90 мВ (внутри клетки отрицательно относительно внеклеточной среды).
Формирование и поддержание МПП возможно при соблюдении трех ключевых условий:
1. Существование ионных градиентов.
Концентрация ионов внутри и снаружи клетки различна:
2. Избирательная проницаемость мембраны в покое.
Мембрана в покое высокопроницаема для K⁺ (через утечные каналы), значительно менее проницаема для Cl⁻ (в некоторых клетках), и практически непроницаема для Na⁺.
3. Работа Na⁺/K⁺-АТФазы.
Этот фермент активно (с затратой АТФ) выкачивает из клетки 3 иона Na⁺ и закачивает 2 иона K⁺, поддерживая концентрационные градиенты.
Главный вклад в создание МПП (около 90%) вносит пассивная диффузия K⁺ из клетки наружу по концентрационному градиенту. Выходя через калиевые каналы, каждый положительный ион K⁺ оставляет на внутренней поверхности мембраны избыточный отрицательный заряд (анионы крупных органических молекул, в первую очередь белки и фосфаты, которые не могут выйти через мембрану).
Потенциал, к которому стремится мембрана при диффузии только K⁺, называется равновесным калиевым потенциалом. Его величина рассчитывается по уравнению Нернста:
> [!formula] Уравнение Нернста для калия
>
> Расшифровка: E_K — равновесный калиевый потенциал; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура; z — заряд иона (+1); F — постоянная Фарадея; [K⁺]ₒ — внеклеточная концентрация калия; [K⁺]ᵢ — внутриклеточная концентрация калия.
> При 37°C упрощённая формула: E_K = 61,5 лог([K⁺]ₒ/[K⁺]ᵢ) (мВ). Расчёт даёт значение около -90 мВ.
Реальный МПП всегда меньше расчетного равновесного калиевого потенциала (например, -70 мВ вместо -90 мВ). Это связано с тем, что есть незначительная, но важная проницаемость для Na⁺ и Cl⁻. Уравнение GHK учитывает проницаемость мембраны для всех ионов:
> [!formula] Уравнение Гольдмана
>
> Расшифровка: Vₘ — истинный МПП; P_K, P_Na, P_Cl — коэффициенты проницаемости мембраны для соответствующих ионов.
Малая проницаемость для Na⁺ (примерно в 20-50 раз меньше, чем для K⁺) приводит к тому, что положительные ионы Na⁺ подтекают внутрь клетки, частично деполяризуя мембрану (делая её менее отрицательной).
Работа насоса вносит прямой, хоть и небольшой (2-5 мВ), вклад в МПП. Поскольку за один цикл из клетки удаляется на один положительный заряд больше, чем заносится (3 Na⁺ из клетки, 2 K⁺ в клетку), создается дополнительная электрическая сила (электрогенный эффект). Кроме того, насос косвенно поддерживает все ионные градиенты, без которых пассивная диффузия быстро бы прекратилась.
1. Создание возбудимости. МПП является электрической основой для возникновения потенциала действия (ПД). Без исходной поляризации мембраны (например, при её деполяризации до нуля) нервный или мышечный импульс не может зародиться.
2. Регуляция работы ионных каналов. Величина МПП определяет состояние потенциал-зависимых каналов (например, натриевых и калиевых), управляя процессами возбуждения и торможения.
3. Вторичный активный транспорт. Потенциал (отрицательный заряд внутри клетки) и градиент Na⁺ (созданный насосом) обеспечивают энергию для транспорта глюкозы, аминокислот и других веществ в клетку (симпорт), а также для выведения Ca²⁺ (Na⁺/Ca²⁺-обменник).
4. Сократимость. В мышечных клетках (кардиомиоцитах, скелетных мышцах) МПП контролирует состояние потенциал-зависимых кальциевых каналов, запуская сокращение.
> [!simple] Простыми словами:
> Клетка строит свою «электрическую батарейку» (МПП), выталкивая положительные ионы калия наружу через специальные дверцы (калиевые каналы). Из-за этого внутри остается больше отрицательных частиц. Эта разность потенциалов — основа для того, чтобы клетка могла быстро среагировать на сигнал («разрядиться»).
---
Ток повреждения (ток покоя) — это электрический ток, возникающий между поврежденным (деполяризованным) участком ткани (например, мышцы или нерва) и неповрежденным (поляризованным) участком той же ткани.
Суть второго опыта Гальвани (опыт с металлом):
1. Гальвани перекидывал биметаллический (медь-цинк) крючок с одной лапки препарированной лягушки (например, через нерв) на другую лапку (или мышцу).
2. Контакт металла с тканью вызывал сокращение мышцы.
3. Гальвани ошибочно считал, что это «животное электричество», высвобождаемое при контакте с металлом.
4. Современная трактовка (открытие Алессандро Вольты): биоэлектрический ток не возникает, а изменяется при взаимодействии с металлом. Однако ключевая идея — что неповрежденная и поврежденная зоны поверхности одного объекта обладают разным потенциалом.
Современное объяснение: Если перерезать мышцу, её внутренняя часть (отрицательно заряженная) становится доступной. Внешняя поверхность неповрежденных волокон заряжена положительно относительно внутренней. Между электродами, наложенными на поврежденный (0 мВ) и неповрежденный (МПП, например, -90 мВ) участки, возникает разность потенциалов, регистрируемая как ток покоя.
> [!example] Пример:
> При инфаркте миокарда клетки сердечной мышцы в зоне некроза теряют МПП. Разность потенциалов между здоровым и ишемизированным участком создает ток повреждения, который регистрируется на ЭКГ как смещение сегмента ST.
---
Эффективность стимула (способность вызвать потенциал действия) определяется не только его абсолютной силой (амплитудой), но и временем его действия.
Ключевые понятия:
1. Пороговая сила (реобаза). Минимальная сила раздражителя, способная вызвать возбуждение при его неограниченно длительном действии (на практике — длительностью > 100 мс).
2. Полезное время. Минимальное время, в течение которого должен действовать раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ПД.
3. Хронаксия (χ). Минимальное время действия раздражителя силой в 2 реобазы, необходимое для возникновения ПД. Является наиболее удобной мерой возбудимости ткани.
4. Лабильность (функциональная подвижность). Скорость протекания элементарных циклов возбуждения. Определяется минимальным временем, через которое ткань способна воспроизводить два следующих друг за другом ПД.
Зависимость: Чем короче импульс, тем большей должна быть его сила, чтобы вызвать возбуждение. Эта обратная зависимость описывается гиперболической кривой.
Аккомодация возбудимых тканей — это свойство ткани адаптироваться к медленно нарастающему раздражителю, снижая свою возбудимость.
Механизм:
При медленном нарастании деполяризации (например, синусоидальный ток малой частоты) натриевые (Na⁺) каналы успевают инактивироваться (закрыться специальной «инактивационной частицей»), не успев открыться. Достигнуть порога активации (например, -50 мВ) при этом может быть недостаточно, так как большая часть потенциал-зависимых Na⁺-каналов уже заблокирована (инактивирована) из-за длительного пребывания мембраны в подпороговом состоянии.
Значение аккомодации:
> [!critical] Ключевой факт:
> Основным ионным механизмом формирования МПП является пассивная диффузия K⁺ по градиенту концентрации. Изменение внеклеточной концентрации K⁺ (например, при гиперкалиемии) напрямую смещает МПП и может нарушать функцию возбудимых тканей. Аккомодация основана на инактивации Na⁺-каналов при медленной деполяризации.
---
Итог.
Мембранный потенциал покоя создается за счет диффузии калия из клетки, малой проницаемости для натрия и работы Na⁺/K⁺-насоса. Он является основой возбудимости и вторичного транспорта. Возбудимость ткани подчиняется законам силы, длительности и крутизны нарастания стимула, а аккомодация предохраняет клетки от избыточного реагирования на медленные изменения.
Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Нормальной физиологии