Мембранный потенциал, его величина. Методы регистрации мембранного потенциала. Роль ионных концентрационных градиентов, избирательной проницаемости и Na+/K+ насоса в возникновении мембранного потенциала.

Нормальная физиология — СЗГМУ, Лечебное дело

Мембранный потенциал покоя

Мембранный потенциал (потенциал покоя, ПП) — это разность электрических потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями клеточной мембраны в состоянии физиологического покоя. У большинства возбудимых клеток (нейронов, мышечных волокон) величина ПП находится в диапазоне от –60 до –90 мВ (минус означает отрицательный заряд на внутренней стороне мембраны относительно наружной). Внутриклеточная среда заряжена отрицательно, внеклеточная — положительно.

Механизмы возникновения мембранного потенциала

Формирование ПП обусловлено тремя ключевыми факторами: ионными градиентами, избирательной проницаемостью мембраны и работой Na⁺/K⁺-АТФазы.

Роль ионных концентрационных градиентов

Между цитоплазмой и межклеточной жидкостью поддерживается стойкое неравномерное распределение ионов (таблица 1).

|-----|----------------------------------------|--------------------------------------|------------------------------------------|

| K⁺ | 140 | 4–5 | –90 ÷ –95 |

| Na⁺ | 10–15 | 140–150 | +55 ÷ +65 |

| Cl⁻ | 4–10 | 110–120 | –40 ÷ –70 |

| Ca²⁺| 0,0001 | 2–2,5 | +125 ÷ +135 |

Примечание: равновесный потенциал — потенциал, при котором электрическая сила, действующая на ион, уравновешивает химическую (концентрационную) силу. Рассчитывается по уравнению Нернста:

E_{\text{иона}} = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[ион]_{\text{снаружи}}}{[ион]_{\text{внутри}}},

где \(R\) — газовая постоянная, \(T\) — температура Кельвина, \(z\) — заряд иона, \(F\) — число Фарадея.

Главные градиенты:

Калиевый (K⁺): высокий внутри, низкий снаружи. Ионы K⁺ стремятся выйти из клетки по концентрационному градиенту, вынося положительный заряд, что создает внутренний отрицательный заряд.
Натриевый (Na⁺): низкий внутри, высокий снаружи. Na⁺ стремится войти в клетку, принося положительный заряд, но его вход при покое минимален.
Хлорный (Cl⁻): высокий снаружи, низкий внутри. Cl⁻ стремится войти в клетку, усугубляя отрицательный заряд внутри.

Роль избирательной проницаемости мембраны

Мембрана обладает селективными (избирательными) ионными каналами. В покое мембрана наиболее проницаема для K⁺ — в 20–50 раз больше, чем для Na⁺, и практически непроницаема для крупных органических анионов (белков, фосфатов), которые находятся внутри клетки.

Механизм формирования ПП в покое:

1. K⁺ выходит из клетки через открытые калиевые каналы (пассивный транспорт по градиенту).

2. Выход каждого положительного иона K⁺ делает внутреннюю поверхность мембраны более отрицательной, а наружную — более положительной.

3. Нарастающий отрицательный заряд внутри начинает электрически притягивать положительный K⁺ обратно.

4. Устанавливается динамическое равновесие: количество выходящих и входящих ионов K⁺ сравнивается. Значение ПП в этом состоянии близко к равновесному потенциалу K⁺ ( –90 мВ).

5. Небольшой вход Na⁺ (мембрана слабо проницаема для него) и выход Cl⁻ несколько снижают ПП до реальных –70…–90 мВ.

Простыми словами: калий — главный "строитель" потенциала покоя. Он вытекает из клетки, делая её внутри минусом. Натрий почти не заходит в покое, а большие белки вообще никуда не двигаются.

Роль Na⁺/K⁺-насоса (Na⁺/K⁺-АТФазы)

Na⁺/K⁺-насос — это интегральный белок мембраны, который активно (с затратой энергии АТФ) поддерживает концентрационные градиенты.

Механизм работы:

1. За один цикл насос выкачивает 3 иона Na⁺ из клетки и закачивает 2 иона K⁺ в клетку.

2. Поскольку из клетки удаляется больше положительных зарядов, чем вносится (3 Na⁺ против 2 K⁺), насос вносит прямой электрогенный вклад в ПП, делая внутреннюю среду более электроотрицательной на 2–10 мВ (в зависимости от типа клеток и скорости работы насоса).

3. Без работы насоса градиенты K⁺ и Na⁺ исчезли бы за 15–30 минут, и ПП упал бы до нуля.

Роль насоса в создании ПП:

Косвенная (основная): поддержание высокого внутриклеточного K⁺ и низкого Na⁺. Без этого градиента K⁺ не мог бы выходить и создавать отрицательный заряд.
Прямая (дополнительная): создание небольшой добавочной электроотрицательности за счет большего выноса Na⁺, чем заноса K⁺.

Методы регистрации мембранного потенциала

1. Микроэлектродный метод (внутриклеточное отведение)

Золотой стандарт для измерения ПП и потенциала действия.

Принцип:

Используют стеклянный микроэлектрод (диаметр кончика < 1 мкм), заполненный токопроводящим раствором (3M KCl).
Микроэлектрод вводят в цитоплазму, повреждая лишь мембрану локально.
Второй (референтный) электрод располагают во внеклеточной среде.
Оба электрода подключают к усилителю (высокоомный, с большим входным сопротивлением) и затем к осциллографу или АЦП.

Результат: на осциллографе фиксируется разность потенциалов (например, –70 мВ). Позволяет регистрировать как ПП, так и потенциалы действия.

2. Метод «пэтч-кламп» (patch-clamp)

Метод фиксации потенциала на изолированном участке мембраны.

Варианты:

Cell-attached: кончик электрода присасывается к мембране, не повреждая клетку. Регистрируют ток через одиночный ионный канал.
Whole-cell: мембрана под электродом разрушается отсасыванием. Электрод соединяется с цитоплазмой. Регистрируют суммарный ток всей клетки. Позволяет задавать фиксированный потенциал (voltage-clamp) и измерять токи.

Преимущество: точное измерение ПП с минимальным шумом и возможность изучения отдельных ионных каналов.

3. Флуоресцентные методы (потенциал-чувствительные красители)

Используют красители (например, DiBAC₄(3), RH-795), которые меняют интенсивность флуоресценции в зависимости от мембранного потенциала.

Принцип:

1. Краситель связывается с мембраной.

2. При деполяризации (ПП становится менее отрицательным) краситель распределяется по мембране, и его флуоресценция изменяется.

3. Регистрируют сигнал с помощью микроскопа с флуоресцентной детекцией или в стрип-формате (microplate reader).

Преимущества: неинвазивность, возможность одновременной регистрации от тысяч клеток.

Недостатки: низкое временное разрешение (по сравнению с электрическими методами), нелинейность отклика, фототоксичность.

4. Электрофизиология с внеклеточным отведением (экстраклеточная регистрация)

Позволяет оценить изменения мембранного потенциала, но не абсолютное значение ПП.

Варианты:

Extracellular (field potential): электрод располагается рядом с клетками, регистрирует изменения локального электрического поля, вызванные синхронной активностью группы клеток (например, ЭЭГ, ЭКГ, ЭМГ).
Single-unit recording: тонкий электрод вводится вблизи тела нейрона. Регистрируется высокочастотная активность (спайки) при генерации потенциалов действия, но не ПП.

Краткое резюме

Мембранный потенциал покоя (−60…−90 мВ) создается и поддерживается:

1. Градиентом K⁺: выходит из клетки, создавая электроотрицательность.

2. Высокой проницаемостью мембраны для K⁺ в покое: именно калиевые каналы задают основную величину ПП.

3. Работой Na⁺/K⁺-насоса: активно поддерживает градиенты, внося прямой электрогенный вклад (2–10 мВ).

Все вопросы раздела: подготовка к экзамену по Нормальной физиологии