Нормальная физиология — ИГМА, Лечебное дело
Мембранный потенциал покоя (МПП) — это разность электрических потенциалов между внутренней и внешней поверхностями клеточной мембраны в состоянии физиологического покоя. В норме для большинства возбудимых клеток (нейроны, мышечные волокна) величина МПП составляет от –60 до –90 мВ (внутри клетки отрицательно по отношению к наружной среде).
Происхождение МПП обусловлено тремя ключевыми факторами:
1. Неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны (ионные градиенты).
2. Избирательная проницаемость мембраны для различных ионов в покое.
3. Работа активных транспортных систем, поддерживающих ионные градиенты.
Внутри клетки преобладают ионы K⁺ и органические анионы (белки, фосфаты); снаружи — Na⁺ и Cl⁻. Концентрационные градиенты (на примере типичной клетки):
| Ион | Внутриклеточная концентрация (мМ) | Внеклеточная концентрация (мМ) | Отношение (внутри/снаружи) |
|-----|-----------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------|
| K⁺ | 140 | 4–5 | ≈ 28 : 1 (внутри больше) |
| Na⁺ | 10–15 | 140–150 | ≈ 1 : 10 (снаружи больше) |
| Cl⁻ | 4–10 | 110–120 | ≈ 1 : 15 (снаружи больше) |
| Ca²⁺| 0,0001 (своб.) | 1–2 | ≈ 1 : 10 000 |
> [!simple] Простыми словами: внутри клетки много калия и мало натрия, снаружи — наоборот. Это похоже на два сообщающихся сосуда с разным составом растворов, разделенных полупроницаемой перегородкой.
Поддержание этих градиентов обеспечивается Na⁺/K⁺-АТФазой (натрий-калиевым насосом). Этот фермент, используя энергию гидролиза АТФ, выкачивает из клетки 3 иона Na⁺ и закачивает в клетку 2 иона K⁺ против их концентрационных градиентов. Таким образом насос не только создает градиенты, но и вносит прямой вклад в электрический потенциал (один положительный заряд удаляется из клетки за цикл, делая внутреннюю среду более отрицательной — электрогенный эффект, около –5…–10 мВ).
Na K АТФаза
В состоянии покоя липидный бислой практически непроницаем для заряженных частиц. Перенос ионов осуществляется через ионные каналы. В покое мембрана имеет наибольшую проницаемость для K⁺ (калиевые каналы утечки открыты), проницаемость для Na⁺ примерно в 10–100 раз меньше, а для Cl⁻ — занимает промежуточное положение.
Для каждого иона можно рассчитать равновесный потенциал — такой мембранный потенциал, при котором поток иона по концентрационному градиенту уравновешивается электрической силой, и результирующий ток равен нулю. Расчет ведется по уравнению Нернста:
> [!formula] Уравнение Нернста для одновалентного иона
>
> * — равновесный потенциал для иона (В),
> * — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·K)),
> * — абсолютная температура (310 K при 37 °C),
> * — валентность иона (безразмерная),
> * — постоянная Фарадея (96 485 Кл/моль),
> * и — наружная и внутренняя концентрации иона.
>
> Для 37 °C и одновалентного иона удобно использовать упрощённую форму:
>
Расчет для типичных концентраций:
Реальный мембранный потенциал покоя не равен равновесному потенциалу ни одного из ионов, поскольку мембрана проницаема для нескольких ионов одновременно. Его величину рассчитывают по уравнению Гольдмана-Ходжкина-Катца (GHK) с учётом относительной проницаемости.
> [!formula] Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца (для трёх главных ионов)
>
> где — коэффициенты проницаемости мембраны для соответствующих ионов.
>
> При типичных значениях расчёт даёт мВ.
Происхождение отрицательного потенциала внутри клетки:
МПП является стационарным, а не равновесным потенциалом. Это означает, что утечка K⁺ наружу и утечка Na⁺ внутрь происходят постоянно, но эти потоки скомпенсированы работой Na⁺/K⁺-АТФазы, которая возвращает ионы на исходные позиции. Таким образом, система находится в динамическом равновесии с постоянным потреблением энергии АТФ. При прекращении работы насоса (например, при отравлении оуабаином или при гипоксии) градиенты постепенно исчезают, и МПП падает до нуля (деполяризация клетки).
> [!example] Пример: при изменении внеклеточной концентрации K⁺ (например, при гиперкалиемии в крови) отношение [K⁺]out/[K⁺]in возрастает, равновесный потенциал калия становится менее отрицательным, МПП смещается к нулю, что приводит к снижению возбудимости и опасным аритмиям.
В большинстве возбудимых клеток Cl⁻ распределяется пассивно в соответствии с МПП. Его равновесный потенциал (–65 мВ) близок к реальному Vm, поэтому в покое хлорные каналы практически не создают значительного тока. Однако в некоторых клетках (например, в скелетных мышцах) Cl⁻ вносит вклад в стабилизацию МПП, увеличивая общую проводимость мембраны и делая ее более устойчивой к деполяризации.
1. Первичным источником отрицательного потенциала является диффузия K⁺ из клетки наружу.
2. Величина потенциала определяется соотношением проницаемостей для разных ионов (прежде всего K⁺ и Na⁺).
3. Градиенты ионов поддерживаются Na⁺/K⁺-АТФазой, которая также создаёт небольшой электрогенный вклад.
4. Установившийся МПП соответствует точке, где суммарный пассивный поток зарядов равен нулю, а активный транспорт компенсирует утечку.
Схема потенциала покоя
> [!critical] Ключевой факт: Мембранный потенциал покоя определяется преимущественно градиентом K⁺ и высокой проницаемостью мембраны для K⁺. Величина МПП близка к равновесному потенциалу калия (–90 мВ), но смещена в положительную сторону из-за небольшой проницаемости для Na⁺. Поддержание потенциала требует непрерывной работы Na⁺/K⁺-АТФазы.
---
Итог. Мембранный потенциал покоя возникает из-за диффузии калия по концентрационному градиенту через открытые калиевые каналы, что создаёт отрицательный заряд внутри клетки. Точная величина потенциала рассчитывается по уравнению Гольдмана-Ходжкина-Катца с учётом проницаемостей для K⁺, Na⁺ и Cl⁻, а его стабильность обеспечивается активным транспортом ионов Na⁺/K⁺-АТФазой.
Все вопросы раздела: Подготовка к экзамену по Нормальной физиологии