Реклама на портале

Зачем клетка обменивает натрий на калий? Условия возникновения мембранного потенциала покоя Почему ионов калия выходит из клетки больше.

Основная физиологическая функция натрия в организме человека - регуляция объема внеклеточной жидкости, таким образом определяя объем крови и кровяное давление. Эта функция непосредственно связана с метаболизмом натрия и жидкости. Кроме этого, натрий участвует в процессе образования костной ткани, проведении нервных импульсов и др.

В медицине, в случае возникновения разного рода нарушений электролитного баланса, с целью выяснения причин этого состояния, проводят анализы на определение концентрации натрия, а также мониторинг баланса жидкости (ее поступления и выведения).

В организме человека масса жидкости занимает примерно 60%, то есть, человек, весом 70 кг, содержит примерно 40 литров жидкости, из которой около 25 л содержится в клетках (внутриклеточная жидкость - КЖ) и 14 л находится за вне клеток (внеклеточная жидкость - ВнеКЖ). Из общего количества внеклеточной жидкости примерно 3,5 л занимает плазма крови (кровяная жидкость, находящаяся внутри сосудистой системы) и около 10,5 литров - интерстициальная жидкость (ИСЖ), заполняющая пространство в тканях между клетками (см рис 1)

Рисунок 1. Распределение жидкости в организме взрослого человека, вес которого 70 кг

Общее количество жидкости в организме и сохранение постоянного уровня ее распределение между компартментами помогают обеспечить полноценное функционирование всех органов и систем, что, несомненно, является залогом крепкого здоровья. Обмен воды между внутриклеточной жидкостью и внеклеточной жидкостью происходит через мембраны клеток. Осмолярность растворов жидкости с обеих сторон мембраны непосредственно влияют на этот обмен. При условии осмотического равновесия жидкость не будет перемещаться, то есть, ее объемы в компартментах не будут изменяться. У здорового человека осмолярность внутриклеточной жидкости и плазмы крови (внеклеточной жидкости) поддерживается на уровне примерно 80-295 мОсмоль/кг.

Роль натрия в регуляции объема внеклеточной жидкости

Осмолярность - сумма концентрации всех кинетических частиц в 1 литре раствора, то есть, зависит от общей концентрации растворенных ионов. В организме человека осмолярность определяют именно электролиты, поскольку в жидких средах (внутри- и внеклеточная жидкости) ионы находятся в относительно высоких концентрациях по сравнению с другими растворенными компонентами. На рисунке 2 продемонстрировано распределение электролитов между внутриклеточной и внеклеточной жидкостями.

Рисунок 2. Концентрация растворенных компонентов во вннутриклеточной и внеклеточной жидкостях

Важно отметить, что для одновалентных ионов (калий, натрий) мэкв/л = ммоль/л, а для двухвалентных, чтобы почить количество ммоль/л, мэкв следует разделить на 2.

В левой части рисунка (ВнеКЖ) показан состав плазмы крови, который очень схож по составу с интерстициальной жидкостью (кроме низкой концентрации белка и высокой концентрации хлоридов)

Можно сделать вывод, что концентрация натрия в плазме крови является определяющим показателем объема внеклеточной жидкости и, как следствие, объема крови.

Во внеклеточной жидкости много натрия и мало калия. Напротив, в клетках содержится мало натрия - основным внутриклеточным катионом является калий. Такая разница в концентрациях электролитов во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях поддерживается путем механизма активного транспорта ионов при участии натриево-калиевого насоса (помпы) (см рис. 3).

Рисунок 3. Поддержание концентрации натрия и калия в КЖ и ВнеКЖ

Натрий-калиевый насос, локализованный на клеточных мембранах, представляет собой энергонезависимую систему, которая есть у клеток всех типов. Благодаря этой системе из клеток выводятся ионы натрия в обмен на ионы калия. Без подобной транспортной системы ионы калия и натрия пребывали в состоянии пассивного диффундирования сквозь клеточную мембрану, что в результате привело бы к ионному равновесию между внеклеточной и внутриклеточной жидкостями.

Высокая осмолярность внеклеточной жидкости обеспечивается благодаря активному транспорту ионов натрия из клетки, что обеспечивает их высокое содержание во внеклеточной жидкости. Учитывая тот факт, что осмолярность влияет на распределение жидкости между ВнеКЖ и КЖ, следовательно, объем внеклеточной жидкости непосредственно зависит от концентрации натрия.

РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА

Поступление жидкости в организм человека должно быть адекватно ее выведению, в противном случае может возникнуть гипергидратация или дегидратация. Чтобы произошла экскреция (выведение) токсических веществ (ядовитых веществ, образующихся в организме в процессе метаболизма (обмена веществ)), почки должны ежедневно выделять минимум 500 мл мочи. К этому количеству нужно добавить 400 мл жидкости, которая ежедневно выводится через легкие в процессе дыхания, 500 мл - выводится через кожу, а также 100 мл - с фекальными массами. В результате, организм человека ежедневно теряет в среднем 1500 мл (1,5 л) жидкости.

Отметим, что ежедневно в организме человека в процессе метаболизма (как результат побочного продукта обмена веществ) синтезируется примерно 400 мл воды. Таким образом, чтобы поддерживать минимальный уровень водного баланса, в организм должно поступить минимум 1100 мл воды в сутки. В действительности суточный объем поступающей жидкости часто превышает указанный минимальный уровень, при этом почки, в процессе регуляции водного баланса, отлично справляются с выведением лишней жидкости.

У большинства людей средний объем суточной мочи составляет примерно 1200-1500 мл. При необходимости почки могут образовывать значительно большее количество мочи.

Осмолярность плазмы крови связана с поступлением жидкости в организм и процессом образования и выведения мочи. Например, в случае, если потеря жидкости адекватно не восполняется, объем внеклеточной жидкости снижается, а осмолярность повышается, что приводит к увеличению поступающей жидкости из клеток организма во внеклеточную жидкость, тем самым восстанавливая ее осмолярность и объем до необходимого уровня. Тем не менее, подобное внутреннее распределение жидкости эффективно только на ограниченный промежуток времени, поскольку этот процесс приводит к дегидрадации (обезвоживанию) клеток, в результате организм нуждается в поступлении из вне большего количества жидкости.

На рисунке 4 схематически представлен физиологический ответ на дефицит жидкости в организме.

Рисунок 4. Поддержание нормального водного баланса в организме регулируется гипоталамо-гипофизарной системой, чувством жажды, адекватного синтеза антидиуретического гормона и полноценного функционирования почек

При дефиците жидкости в организме, высокоосмолярная плазма крови протекает через гипоталамус, в котором осморецепторы (специальные клетки) анализируют состояние плазмы и дают сигнал к запуску механизма снижения осмолярности путем стимуляции секреции в гипофизе антидиуретического гормона (АДГ) и возникновения чувства жажды. При жажде человек старается компенсировать недостаток жидкости из вне, потребляя напитки или воду. Антидиуретический гормон оказывает влияние на функцию почек, тем самым препятствуя выведению жидкости из организма. АДГ способствует повышению реабсорбции (обратного всасывания) жидкости из собирательных трубочек и дистальных канальцев почек, в результате чего продуцируется относительно небольшое количество мочи более высокой концентрации. Несмотря на такие изменения в плазме крови, современные диагностические анализаторы позволяют оценить степень гемолиза и измерять реальный уровень содержания калия в плазме гемолизированных образцов крови.

При поступлении в организм большого количества жидкости, осмолярность внеклеточной жидкости снижается. При этом не происходит стимуляция осморецепторов в гипоталамусе - у человека не возникает чувство жажды и не повышается уровень антидиуретического гормона. С целью предотвращения чрезмерной водной нагрузки, в почках образуется большое количество разбавленной мочи.

Отметим, что ежедневно в желудочно-кишечный тракт поступает примерно 8000 мл (8 литров) жидкости в виде желудочного, кишечного и панкреатических соков, желчи, а также слюны. В нормальном состоянии примерно 99% этой жидкости реабсорбируется и только 100 мл выходит из организма с фекальными массами. Тем не менее нарушение функции сохранения воды, которая содержится в этих секретах, может привести к водному дисбалансу, что вызовет серьезные нарушения состояния всего организма.

Еще раз обратим внимание на факторы, влияющие на нормальную регуляцию водного баланса в организме человека:

  • Чувство жажды (для проявления жажды человек должен находиться в сознании)
  • Полноценное функционирование гипофиза и гипоталамуса
  • Полноценное функционирование почек
  • Полноценное функционирование желудочно-кишечного тракта

РЕГУЛЯЦИЯ БАЛАНСА НАТРИЯ

Для нормального функционирования и здоровья организма поддержка натриевого баланса имеет такое же значение, как и поддержка водного баланса. В нормальном состоянии организм взрослого человека содержит примерно 3000 ммоль натрия. Большая часть натрия содержится во внеклеточной жидкости: плазме крови и интерстициальной жидкости (концентрация натрия в них около 140 ммоль/л).

Ежедневно потери натрия составляют минимум 10 ммоль/л. Чтобы поддерживать в организме нормальный баланс, эти потери должны компенсироваться (восполняться). С питанием люди получают значительно больше натрия, чем необходимо организму для компенсации (с продуктами питания, как правило в виде соленых приправ, человек ежедневно получает в среднем 100-200 ммоль натрия). Тем не менее, несмотря на широкую вариабельность поступления натрия в организм, почечная регуляция обеспечивает выведение его излишков с мочой, тем самым поддерживая физиологический баланс.

Процесс экскреции (выведения) натрия через почки зависит непосредственно от СКФ (скорости клубочковой фильтрации). Высокая скорость клубочковой фильтрации повышает количество выведения натрия в организме, а низкая скорость СКФ - задерживает его. Примерно 95-99% натрия, проходящего процесс фильтрации в почечных клубочках, активно реабсорбируется по мере прохождения мочи через проксимальные извитые канальцы. К моменту попадания ультрафильтрата в дистальный извитые канальцы, количество натрия, уже отфильтрованного в почечных клубочках, составляет 1-5%. Будет ли оставшийся натрий выведен с мочой или реабсорбируется в кровь, зависит непосредственно от концентрации в крови гормона надпочечников - альдостерона.

Альдостерон усиливает реабсорбцию натрия в обмен на ионы водорода или калия, тем самым оказывая влияние на клетки дистальных канальцев почек. То есть, при условии высокого содержания альдостерона в крови, большая часть остатков натрия реабсорбируется; при низкой концентрации - натрий выводится с мочой в больших количествах.

Рисунок 5.

Контролирует процесс выработки альдостерона (см рисунок 5). Ренин - фермент, который продуцируется почками в клетках юкстагломерулярного аппарата в ответ на снижение кровотока через почечные клубочки. Поскольку скорость почечного кровотока, как и кровотока через другие органы, зависит от объема крови, следовательно, и от концентрации натрия в крови, секреция ренина в почках повышается в случае снижения уровня натрия в плазме.

Благодаря ренину происходит ферментативное расщепление белка, также известного как рениновый субстрат . Одним из продуктов этого расщепления является ангиотензин I - пептид, содержащий 10 аминокислот.

Еще один фермент - АПФ (ангиотензинпревращающий фермент) , который синтезируется в основном в легких. В процессе метаболизма АПФ отделяет от ангиотензина I две аминокислоты, что приводит к образованию октопептида - гормона ангиотензина II.

Ангиотензин II обладает очень важными для организма свойствами:

  • Вазоконстрикция - сужение кровеносных сосудов, что способствует повышению давления крови и восстанавливает нормальный почечный кровоток
  • Стимулирует выработку альдостерона в клетках коры надпочечников, тем самым активируя реабсорбцию натрия, что способствует восстановлению нормального кровотока через почки и общего объема крови в организме.

При повышении объема крови и кровяного давления клетками сердца секретируется гормон, являющийся антагонистом альдостерона - ANP (предсердный натрийуретический пептид , или ПНП). ПНП способствует снижению реабсорбции натрия в дистальных канальцах почек, тем самым усиливает его выведение с мочой. То есть, система «обратной связи» обеспечивает четкую регуляцию баланса натрия в организме.

Данные специалистов говорят, что в организм человека через желудочно-кишечный тракт каждый день поступает примерно 1500 ммоль натрия. Примерно 10 ммоль натрия, который экскретируется с фекальными массами, реабсорбируется. В случае нарушения функций желудочно-кишечного тракта, количество реабсорбируемого натрия снижается, что приводит к его дефициту в организме. При нарушенном механизме почечной компенсации, начинают проявляться признаки этого дефицита.

Поддержание нормального баланса натрия в организме зависит от 3-х основных факторов:

  • Функции почек
  • Секреции альдостерона
  • Функционирования желудочно-кишечного тракта

КАЛИЙ

Калий участвует в проведении нервных импульсов, процессе сокращения мускулатуры, обеспечивает действие многих ферментов. В организме человека содержится в среднем 3000 ммоль калия, большая часть которого содержится в клетках. Концентрация калия в плазме крови составляет примерно 0,4%. Несмотря на то, что его концентрацию в крови можно измерять, результат анализа не будет объективно отражать общее содержание калия в организме. Тем не менее, для поддержания общего баланса калия, необходимо сохранять нужный уровень концентрации этого элемента в плазме крови.

Регуляция баланса калия

Организм ежедневно теряет с калом, мочой и потом минимум 40 ммоль калия. Поддержание необходимого калиевого баланса требует восполнения этих потерь. Рацион питания, который содержит овощи, фрукты, мясо и хлеб, обеспечивает примерно 100 ммоль калия в день. чтобы обеспечить необходимый баланс, излишки калия выводятся с мочой. Процесс фильтрации калия, как и натрия, происходит в почечных клубочках (как правило он реабсорбируется в проксимальной (начальной) части почечных канальцев. В собирательных клубочках и дистальных отделах канальцев происходит тонкая регуляция (калий может реабсорбироваться или секретироваться в обмен на ионы натрия).

Ренин-ангиотензинальдостероновая система регулирует натрий-калиевый обмен, а точнее - стимулирует его (альдостерон запускает реабсорбцию натрия и процесс выведения калия с мочой).

Кроме этого, количество выводимого с мочой калия определяется функцией почек в регуляции кислотно-щелочного баланса (pH) крови в физиологических пределах нормы. Например, одним из механизмов предотвращения окисления крови является выведение из организма с мочой избытка ионов водорода (это происходит путем обмена ионов водорода на ионы натрия в дистальных почечных канальцах). Таким образом, при ацидозе меньшее количество натрия может обмениваться на калий, в результате почки выводят меньше калия. Существуют и другие пути взаимодействия между кислотно-основным состоянием и калием.

В нормальном состоянии примерно 60 ммоль калия выделяется в желудочно-кишечный тракт, где большая его часть реабсорбируется (с фекальными массами организм теряет около 10 ммоль калия). В случае нарушения функций желудочно-кишечного тракта, механизм реабсорбции нарушается, что может привести к дефициту калия.

Транспорт калия через клеточные мембраны

Низкая концентрация калия во внеклеточной жидкости и высокая - во внутриклеточной жидкости регулируется с помощью натрий-калиевой помпы. Ингибирование (торможение) или стимуляция (усиление) этого механизма влияет на концентрацию калия в плазме крови, так как происходит изменение соотношение концентраций во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях. Отметим, что с ионами калия при прохождении через клеточные мембраны конкурируют ионы водорода, то есть, уровень калия в плазме крови оказывает влияние на кислотно-основной баланс.

Значительное снижение или увеличение концентрации калия в плазме крови вовсе не указывает не дефицит или избыток этого элемента в организме в целом - это может указывать о нарушении необходимого баланса вне- и внутриклеточного калия.

Регуляция концентрации калия в плазме крови происходит за счет следующих факторов:

  • Поступление калия с пищей
  • Функции почек
  • Функции желудочно-кишечного тракта
  • Выработки альдостерона
  • Кислотно-щелочного баланса
  • Натриево-калиевой помпы

Положительно заряженных ионов калия в окружающую среду из цитоплазмы клетки в процессе установления осмотического равновесия. Анионы органических кислот , нейтрализующие заряд ионов калия в цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать их градиент концентрации на клеточной мембране .

Энциклопедичный YouTube

    1 / 3

    ✪ Мембранные потенциалы - Часть 1

    ✪ Потенциал покоя: - 70 мВ. Деполяризация, реполяризация

    ✪ Потенциал покоя

    Субтитры

    Нарисую небольшую клетку. Это будет типичная клетка, и она наполнена калием. Мы знаем, что клетки любят накапливать его внутри себя. Много калия. Пусть его концентрация будет где-то 150 миллимоль на литр. Огромное количество калия. Возьмем это в скобки, потому что скобки обозначают концентрацию. Снаружи также имеется некоторое количество калия. Здесь концентрация будет примерно 5 миллимоль на литр. Я покажу вам, как будет устанавливаться градиент концентрации. Это не происходит само по себе. Для этого требуется много энергии. Два иона калия закачиваются внутрь, и одновременно с этим три иона натрия покидают клетку. Так ионы калия попадают внутрь изначально. Теперь, когда они внутри, будут ли они удерживаться тут сами по себе? Конечно, нет. Они находят анионы, небольшие молекулы или атомы с отрицательным зарядом, и располагаются вблизи них. Таким образом суммарный заряд становится нейтральным. У каждого катиона есть свой анион. И обычно эти анионы являются белками, какими-то структурами, у которых имеется отрицательная боковая цепь. Это может быть и хлорид, или, например, фосфат. Что угодно. Любой из этих анионов подойдет. Изображу еще несколько анионов. Итак, вот два иона калия, которые просто проникли внутрь клетки, вот как все это выглядит теперь. Если все хорошо и статично, то вот как они выглядят. И на самом деле, чтобы быть совсем справедливым, здесь также есть маленькие анионы, которые находятся здесь наравне с ионами калия. В клетке есть маленькие отверстия, через которые калий может вытекать наружу. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть и как это повлияет на происходящее здесь. Итак, у нас есть эти маленькие каналы. Через них может пройти только калий. То есть эти каналы очень специфичны в отношении калия. Ничто другое не может пройти через них. Ни анионы, ни белки. Ионы калия как бы разыскивают эти каналы и рассуждают: «Ух ты, как интересно! Здесь столько калия! Надо бы выйти наружу». И все эти ионы калия просто покидают клетку. Выходят наружу. И в результате происходит интересная вещь. Большинство из них переместилось наружу. Но снаружи уже есть несколько ионов калия. Я сказал, что здесь был вот этот маленький ион, и он может теоретически проникнуть внутрь. Он может проникнуть в эту клетку, если захочет. Но дело в том, что в общей сложности, суммарно, у вас происходит больше перемещений наружу, чем внутрь. Теперь я стираю этот путь, потому что хочу, чтобы вы запомнили, что у нас имеется больше ионов калия, которые стремятся выйти наружу вследствие наличия градиента концентрации. Это первый этап. Давайте я это запишу. Градиент концентрации приводит к тому, что калий перемещается наружу. Калий начинает перемещаться наружу. Выходит из клетки. А что потом? Давайте, я нарисую его в процессе выхода наружу. Этот ион калия теперь находится здесь, а этот - здесь. Остаются только анионы. Они остались после ухода калия. И эти анионы начинают производить отрицательный заряд. Очень большой отрицательный заряд. Лишь несколько анионов, перемещающихся туда и обратно, создают отрицательный заряд. А ионы калия на внешней стороне думают, что все это очень интересно. Вот здесь имеется отрицательный заряд. А раз он там есть, они притягиваются к нему, поскольку сами обладают положительным зарядом. Их тянет к отрицательному заряду. Они хотят вернуться. Теперь задумайтесь. У вас имеется градиент концентрации, который выталкивает калий наружу. Но, с другой стороны, присутствует мембранный потенциал, - в данном случае отрицательный - который возникает из-за того, что калий оставил после себя анион. Этот потенциал стимулирует калий к тому, чтобы возвращаться назад. Одна сила, концентрация, выталкивает ион калия наружу, другая сила, мембранный потенциал, который создается калием, заставляет его возвращаться внутрь. Освобожу немного места. Сейчас покажу вам кое-что любопытное. Построим две кривые. Я постараюсь ничего не пропустить на этом слайде. Нарисую все здесь и тогда будет видно небольшой фрагмент этого. Строим две кривые. Одна из них будет для градиента концентрации, а другая - для мембранного потенциала. Это будут ионы калия снаружи. Если следить за ними в течение времени - это время - получится примерно следующее. Ионы калия стремятся выйти наружу и в определенной точке достичь равновесия. Проделаем то же самое со временем на этой оси. Это у нас будет мембранный потенциал. Начинаем в нулевой временной точке и получаем отрицательный результат. Отрицательный заряд будет становиться все больше и больше. Начинаем в нулевой точке мембранного потенциала, и именно в точке, где ионы калия начинают выходить наружу, происходит следующее. В общих чертах все очень похоже, но это происходит как бы параллельно изменениям концентрационного градиента. И когда эти два значения уравняются между собой, когда количество ионов калия, выходящих наружу, равно количеству ионов калия, которые возвращаются внутрь, получается вот такое плато. И оказывается, что заряд при этом составляет минус 92 милливольта. В этой точке, где практически отсутствует различие с точки зрения суммарного перемещения ионов калия, наблюдается равновесие. У него даже есть свое название - «равновесный потенциал для калия». При достижении значения минус 92 - а оно различается в зависимости от типа ионов - при достижении минус 92 для калия, создается равновесие потенциалов. Запишу, что заряд для калия равен минус 92. Это происходит только тогда, когда клетка проницаема лишь для одного элемента, например, для ионов калия. И все равно может возникнуть вопрос. Вы можете рассуждать: «Так, секундочку! Если ионы калия перемещаются наружу - что так и есть - тогда разве в определенной точке у нас не возникает более низкая концентрация, поскольку калий уже вышел отсюда, и более высокая концентрация вот здесь обеспечивается за счет перемещения калия наружу?» Технически это так. Здесь, снаружи, содержится больше ионов калия. И я не упомянул о том, что объем тоже меняется. Здесь получается более высокая концентрация. И то же самое справедливо для клетки. Технически здесь более низкая концентрация. Но фактически я не изменил значения. И причина в следующем. Посмотрите на эти значения, это моли. И это огромное число, согласны? 6,02 умножить на 10 в минус 23 степени, совсем не маленькое число. И если вы умножите его на 5, то получится примерно - давайте я быстро посчитаю, что у нас получилось. 6 умножить на 5 будет 30. А здесь миллимоли. От 10 до 20 молей. Это просто огромное количество ионов калия. А для создания отрицательного заряда их нужно совсем немного. То есть изменения, вызванные перемещениями ионов, будут незначительными по сравнению с 10 в 20 степени. Вот почему изменения концентрации не учитываются.

История открытия

Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка −60 мВ - −70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.

Формирование потенциала покоя

ПП формируется в два этапа.

Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na + на K + в соотношении 3: 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ , обеспечивает его электрогенность.

Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:

1. Дефицит ионов натрия (Na +) в клетке.

2. Избыток ионов калия (K +) в клетке.

3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).

Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K + . Ионы калия K + покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до −70 мВ.

Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Потенциал покоя - это важное явление в жизни всех клеток организма, и важно знать, как он формируется. Однако это сложный динамический процесс, трудный для восприятия целиком, особенно для студентов младших курсов (биологических, медицинских и психологических специальностей) и неподготовленных читателей. Впрочем, при рассмотрении по пунктам, вполне возможно понять его основные детали и этапы. В работе вводится понятие потенциала покоя и выделяются основные этапы его формирования с использованием образных метафор, помогающих понять и запомнить молекулярные механизмы формирования потенциала покоя.

Мембранные транспортные структуры - натрий-калиевые насосы - создают предпосылки для возникновения потенциала покоя. Предпосылки эти - разность в концентрации ионов на внутренней и наружной сторонах клеточной мембраны. Отдельно проявляет себя разность концентрации по натрию и разность концентрации по калию. Попытка ионов калия (K +) выровнять свою концентрацию по обе стороны мембраны приводит к его утечке из клетки и потере вместе с ними положительных электрических зарядов, за счёт чего значительно усиливается общий отрицательный заряд внутренней поверхности клетки. Эта «калиевая» отрицательность составляет бóльшую часть потенциала покоя (−60 мВ в среднем), а меньшую его часть (−10 мВ) составляет «обменная» отрицательность, вызванная электрогенностью самого ионного насоса-обменника.

Давайте разбираться подробнее.

Зачем нам нужно знать, что такое потенциал покоя и как он возникает?

Вы знаете, что такое «животное электричество»? Откуда в организме берутся «биотоки»? Как живая клетка, находящаяся в водной среде, может превратиться в «электрическую батарейку» и почему она моментально не разряжается?

На эти вопросы можно ответить только в том случае, если узнать, как клетка создаёт себе разность электрических потенциалов (потенциал покоя) на мембране.

Совершенно очевидно, что для понимания того, как работает нервная система, необходимо вначале разобраться, как работает её отдельная нервная клетка - нейрон. Главное, что лежит в основе работы нейрона - это перемещение электрических зарядов через его мембрану и появление вследствие этого на мембране электрических потенциалов. Можно сказать, что нейрон, готовясь к своей нервной работе, вначале запасает энергию в электрической форме, а затем использует ее в процессе проведения и передачи нервного возбуждения.

Таким образом, наш самый первый шаг к изучению работы нервной системы - это понять, каким образом появляется электрический потенциал на мембране нервных клеток. Этим мы и займёмся, и назовём этот процесс формированием потенциала покоя .

Определение понятия «потенциал покоя»

В норме, когда нервная клетка находится в физиологическом покое и готова к работе, у неё уже произошло перераспределение электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны. За счёт этого возникло электрическое поле, и на мембране появился электрический потенциал - мембранный потенциал покоя .

Таким образом, мембрана оказывается поляризованной. Это означает, что она имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей. Разность между этими потенциалами вполне возможно зарегистрировать.

В этом можно убедиться, если ввести внутрь клетки микроэлектрод, соединённый с регистрирующей установкой. Как только электрод попадает внутрь клетки, он мгновенно приобретает некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости. Величина внутриклеточного электрического потенциала у нервных клеток и волокон, например, гигантских нервных волокон кальмара, в покое составляет около −70 мВ. Эту величину называют мембранным потенциалом покоя (МПП). Во всех точках аксоплазмы этот потенциал практически одинаков.

Ноздрачёв А.Д. и др. Начала физиологии .

Ещё немного физики. Макроскопические физические тела, как правило, электрически нейтральны, т.е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды. Зарядить тело можно, создав в нем избыток заряженных частиц одного вида, например, трением о другое тело, в котором при этом образуется избыток зарядов противоположного вида. Учитывая наличие элементарного заряда (e ), полный электрический заряд любого тела можно представить как q = ±N×e , где N - целое число.

Потенциал покоя - это разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его величина измеряется изнутри клетки, она отрицательна и составляет в среднем −70 мВ (милливольт), хотя в разных клетках может быть различной: от −35 мВ до −90 мВ.

Важно учитывать, что в нервной системе электрические заряды представлены не электронами, как в обычных металлических проводах, а ионами - химическими частицами, имеющими электрический заряд. И вообще в водных растворах в виде электрического тока перемещаются не электроны, а ионы. Поэтому все электрические токи в клетках и окружающей их среде - это ионные токи .

Итак, изнутри клетка в покое заряжена отрицательно, а снаружи - положительно. Это свойственно всем живым клеткам, за исключением, разве что, эритроцитов, которые, наоборот, заряжены отрицательно снаружи. Если говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na + и K +), а внутри - отрицательные ионы (анионы органических кислот, не способные свободно перемещаться через мембрану, как Na + и K +).

Теперь нам всего лишь осталось объяснить, каким же образом всё получилось именно так. Хотя, конечно, неприятно сознавать, что все наши клетки кроме эритроцитов только снаружи выглядят положительными, а внутри они - отрицательные.

Термин «отрицательность», который мы будем применять для характеристики электрического потенциала внутри клетки, пригодится нам для простоты объяснения изменений уровня потенциала покоя. В этом термине ценно то, что интуитивно понятно следующее: чем больше отрицательность внутри клетки - тем ниже в отрицательную сторону от нуля смещён потенциал, а чем меньше отрицательность - тем ближе отрицательный потенциал к нулю. Это намного проще понять, чем каждый раз разбираться в том, что же именно означает выражение «потенциал возрастает» - возрастание по абсолютному значению (или «по модулю») будет означать смещение потенциала покоя вниз от нуля, а просто «возрастание» - смещение потенциала вверх к нулю. Термин «отрицательность» не создаёт подобных проблем неоднозначности понимания.

Сущность формирования потенциала покоя

Попробуем разобраться, откуда берётся электрический заряд нервных клеток, хотя их никто не трёт, как это делают физики в своих опытах с электрическими зарядами.

Здесь исследователя и студента поджидает одна из логических ловушек: внутренняя отрицательность клетки возникает не из-за появления лишних отрицательных частиц (анионов), а, наоборот, из-за потери некоторого количества положительных частиц (катионов)!

Так куда же деваются из клетки положительно заряженные частицы? Напомню, что это покинувшие клетку и скопившиеся снаружи ионы натрия - Na + - и калия - K + .

Главный секрет появления отрицательности внутри клетки

Сразу откроем этот секрет и скажем, что клетка лишается части своих положительных частиц и заряжается отрицательно за счёт двух процессов:

  1. вначале она обменивает «свой» натрий на «чужой» калий (да-да, одни положительные ионы на другие, такие же положительные);
  2. потом из неё происходит утечка этих «наменянных» положительных ионов калия, вместе с которыми из клетки утекают положительные заряды.

Эти два процесса нам и надо объяснить.

Первый этап создания внутренней отрицательности: обмен Na + на K +

В мембране нервной клетки постоянно работают белковые насосы-обменники (аденозинтрифосфатазы, или Na + /K + -АТФазы), встроенные в мембрану. Они меняют «собственный» натрий клетки на наружный «чужой» калий.

Но ведь при обмене одного положительного заряда (Na +) на другой такой же положительный заряд (K +) никакого дефицита положительных зарядов в клетке возникать не может! Правильно. Но, тем не менее, из-за этого обмена в клетке остаётся очень мало ионов натрия, потому что они почти все ушли наружу. И в то же время клетка переполняется ионами калия, которые в неё накачали молекулярные насосы. Если бы мы могли попробовать на вкус цитоплазму клетки, мы бы заметили, что в результате работы насосов-обменников она превратилась из солёной в горько-солёно-кислую, потому что солёный вкус хлорида натрия сменился сложным вкусом довольно-таки концентрированного раствора хлорида калия. В клетке концентрация калия достигает 0,4 моль/л. Растворы хлорида калия в пределах 0,009–0,02 моль/л имеют сладкий вкус, 0,03–0,04 - горький, 0,05–0,1 - горько-солёный, а начиная с 0,2 и выше - сложный вкус, состоящий из солёного, горького и кислого .

Важно здесь то, что обмен натрия на калий - неравный . За каждые отданные клеткой три иона натрия она получает всего два иона калия . Это приводит к потере одного положительного заряда при каждом акте ионного обмена. Так что уже на этом этапе за счёт неравноценного обмена клетка теряет больше «плюсов», чем получает взамен. В электрическом выражении это составляет примерно −10 мВ отрицательности внутри клетки. (Но помните, что нам надо ещё найти объяснение для оставшихся −60 мВ!)

Чтобы легче было запомнить работу насосов-обменников, образно можно выразиться так: «Клетка любит калий!» Поэтому клетка и затаскивает калий к себе, несмотря на то, что его и так в ней полно. И поэтому она невыгодно обменивает его на натрий, отдавая 3 иона натрия за 2 иона калия. И поэтому она тратит на этот обмен энергию АТФ. И как тратит! До 70% всех энергозатрат нейрона может уходить на работу натрий-калиевых насосов. (Вот что делает любовь, пусть она даже и не настоящая!)

Кстати, интересно, что клетка не рождается с готовым потенциалом покоя. Ей его ещё надо создать. Например, при дифференцировке и слиянии миобластов потенциал их мембраны изменяется от −10 до −70 мВ, т.е. их мембрана становится более отрицательной - поляризуется в процессе дифференцировки. А в экспериментах на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках костного мозга человека искусственная деполяризация, противодействующая потенциалу покоя и уменьшающая отрицательность клеток, даже ингибировала (угнетала) дифференцировку клеток .

Образно говоря, можно выразиться так: Создавая потенциал покоя, клетка «заряжается любовью». Это любовь к двум вещам:

  1. любовь клетки к калию (поэтому клетка насильно затаскивает его к себе);
  2. любовь калия к свободе (поэтому калий покидает захватившую его клетку).

Механизм насыщения клетки калием мы уже объяснили (это работа насосов-обменников), а механизм ухода калия из клетки объясним ниже, когда перейдём к описанию второго этапа создания внутриклеточной отрицательности. Итак, результат деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования потенциала покоя таков:

  1. Дефицит натрия (Na +) в клетке.
  2. Избыток калия (K +) в клетке.
  3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (−10 мВ).

Можно сказать так: на первом этапе ионные насосы мембраны создают разность концентраций ионов, или градиент (перепад) концентрации, между внутриклеточной и внеклеточной средой.

Второй этап создания отрицательности: утечка ионов K + из клетки

Итак, что начинается в клетке после того, как с ионами поработают её мембранные натрий-калиевые насосы-обменники?

Из-за образовавшегося дефицита натрия внутри клетки этот ион при каждом удобном случае норовит устремиться внутрь : растворённые вещества всегда стремятся выровнять свою концентрацию во всём объёме раствора. Но это у натрия получается плохо, поскольку ионные натриевые каналы обычно закрыты и открываются только при определённых условиях: под воздействием специальных веществ (трансмиттеров) или при уменьшении отрицательности в клетке (деполяризации мембраны).

В то же время в клетке имеется избыток ионов калия по сравнению с наружной средой - потому что насосы мембраны насильно накачали его в клетку. И он, тоже стремясь уравнять свою концентрацию внутри и снаружи, норовит, напротив, выйти из клетки . И это у него получается!

Ионы калия K + покидают клетку под действием химического градиента их концентрации по разные стороны мембраны (мембрана значительно более проницаема для K + , чем для Na +) и уносят с собой положительные заряды. Из-за этого внутри клетки нарастает отрицательность.

Тут ещё важно понять то, что ионы натрия и калия как бы «не замечают» друг друга, они реагируют только «на самих себя». Т.е. натрий реагирует на концентрацию натрия же, но «не обращает внимания» на то, сколько вокруг калия. И наоборот, калий реагирует только на концентрацию калия и «не замечает» натрий. Получается, что для понимания поведения ионов надо по отдельности рассматривать концентрации ионов натрия и калия. Т.е. надо отдельно сравнить концентрацию по натрию внутри и снаружи клетки и отдельно - концентрацию по калию внутри и снаружи клетки, но не имеет смысла сравнивать натрий с калием, как это, бывает, делается в учебниках.

По закону выравнивания химических концентраций, который действует в растворах, натрий «хочет» снаружи войти в клетку; туда же его влечёт и электрическая сила (как мы помним, цитоплазма заряжена отрицательно). Хотеть-то он хочет, но не может, так как мембрана в обычном состоянии плохо его пропускает. Натриевые ионные каналы, имеющиеся в мембране, в норме закрыты. Если все же его заходит немножко, то клетка сразу же обменивает его на наружный калий с помощью своих натрий-калиевых насосов-обменников. Получается, что ионы натрия проходят через клетку как бы транзитом и не задерживаются в ней. Поэтому натрий в нейронах всегда в дефиците.

А вот калий как раз может легко выходить из клетки наружу! В клетке его полно, и она его удержать не может. Он выходит наружу через особые каналы в мембране - «калиевые каналы утечки», которые в норме открыты и выпускают калий .

К + -каналы утечки постоянно открыты при нормальных значениях мембранного потенциала покоя и проявляют взрывы активности при сдвигах мембранного потенциала, которые длятся несколько минут и наблюдаются при всех значениях потенциала. Усиление К + -токов утечки ведёт к гиперполяризации мембраны, тогда как их подавление - к деполяризации. ...Однако, существование канального механизма, ответственного за токи утечки, долгое время оставалось под вопросом. Только сейчас стало ясно, что калиевая утечка - это ток через специальные калиевые каналы.

Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология) .

От химического - к электрическому

А теперь - ещё раз самое главное. Мы должны осознанно перейти от движения химических частиц к движению электрических зарядов .

Калий (K +) положительно заряжен, и поэтому он, когда выходит из клетки, выносит из неё не только самого себя, но и положительный заряд. За ним изнутри клетки к мембране тянутся «минусы» - отрицательные заряды. Но они не могут просочиться через мембрану - в отличие от ионов калия - т.к. для них нет подходящих ионных каналов, и мембрана их не пропускает. Помните про оставшиеся необъяснёнными нами −60 мВ отрицательности? Это и есть та самая часть мембранного потенциала покоя, которую создаёт утечка ионов калия из клетки! И это - большая часть потенциала покоя.

Для этой составной части потенциала покоя есть даже специальное название - концентрационный потенциал . Концентрационный потенциал - это часть потенциала покоя, созданная дефицитом положительных зарядов внутри клетки, образовавшимся за счёт утечки из неё положительных ионов калия .

Ну, а теперь немного физики, химии и математики для любителей точности.

Электрические силы связаны с химическими по уравнению Гольдмана. Его частным случаем является более простое уравнение Нернста , по формуле которого можно рассчитать трансмембранную диффузионную разность потенциалов на основе различной концентрации ионов одного вида по разные стороны мембраны. Так, зная концентрацию ионов калия снаружи и внутри клетки, можно рассчитать калиевый равновесный потенциал E K:

где Е к - равновесный потенциал, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - постоянная Фарадея, К + внеш и K + внутр - концентрации ионов К + снаружи и внутри клетки, соответственно. По формуле видно, что для расчёта потенциала между собой сравниваются концентрации ионов одного вида - K + .

Более точно итоговая величина суммарного диффузионного потенциала, который создаётся утечкой нескольких видов ионов, рассчитывается по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца. В ней учтено, что потенциал покоя зависит от трех факторов: (1) полярности электрического заряда каждого иона; (2) проницаемости мембраны Р для каждого иона; (3) [концентраций соответствующих ионов] внутри (внутр) и снаружи мембраны (внеш). Для мембраны аксона кальмара в покое отношение проводимостей Р K: PNa :P Cl = 1: 0,04: 0,45 .

Заключение

Итак, поте нциал покоя состоит из двух частей:

  1. −10 мВ , которые получаются от «несимметричной» работы мембранного насоса-обменника (ведь он больше выкачивает из клетки положительных зарядов (Na +), чем закачивает обратно с калием).
  2. Вторая часть - это всё время утекающий из клетки калий, уносящий положительные заряды. Его вклад - основной: −60 мВ . В сумме это и дает искомые −70 мВ.

Что интересно, калий перестанет выходить из клетки (точнее, его вход и выход уравниваются) только при уровне отрицательности клетки −90 мВ. В этом случае сравняются химические и электрические силы, проталкивающие калий через мембрану, но направляющие его в противоположные стороны. Но этому мешает постоянно подтекающий в клетку натрий, который несёт с собой положительные заряды и уменьшает отрицательность, за которую «борется» калий. И в итоге в клетке поддерживается равновесное состояние на уровне −70 мВ.

Вот теперь мембранный потенциал покоя окончательно сформирован.

Схема работы Na + /K + -АТФазы наглядно иллюстрирует «несимметричный» обмен Na + на K + : выкачивание избыточного «плюса» в каждом цикле работы фермента приводит к отрицательному заряжению внутренней поверхности мембраны. Чего в этом ролике не сказано, так это того, что АТФаза ответственна за менее чем 20% потенциала покоя (−10 мВ): оставшаяся «отрицательность» (−60 мВ) появляется за счет выхода из клетки через «калиевые каналы утечки» ионов K + , стремящихся выровнять свою концентрацию внутри клетки и вне нее.

Литература

  1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels . J Cell Biol . 153 , 677-686;
  2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Role of an inward rectifier K + current and of hyperpolarization in human myoblast fusion . J. Physiol. 510 , 467–476;
  3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells . PLoS ONE . 3 , e3737;
  4. Павловская М.В. и Мамыкин А.И. Электростатика. Диэлектрики и проводники в электрическом поле. Постоянный ток / Электронное пособие по общему курсу физики. СПб: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет;
  5. Ноздрачёв А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А., Батуев А.С. и др. Начала физиологии: Учебник для вузов / Под ред. акад. А.Д. Ноздрачёва. СПб: Лань, 2001. - 1088 с.;
  6. Макаров А.М. и Лунева Л.А. Основы электромагнетизма / Физика в техническом университете. Т. 3;
  7. Зефиров А.Л. и Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология). Казань: Арт-кафе, 2010. - 271 с.;
  8. Родина Т.Г. Сенсорный анализ продовольственных товаров. Учебник для студентов вузов. М.: Академия, 2004. - 208 с.;
  9. Кольман Я. и Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2004. - 469 с.;
  10. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2000. - 277 с..

Между наружной поверхностью клетки и ее цитоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов около 0,06-0,09 в, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения токов, очень мощных усилителей и чувствительных регистрирующих приборов - осциллографов.

Микроэлектрод (рис. 67, 69) представляет собой тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм. Этот капилляр заполняют солевым раствором, погружают в него металлический электрод и соединяют с усилителем и осциллографом (рис. 68). Как только микроэлектрод прокалывает покрывающую клетку мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.

Наиболее полно происхождение потенциала покоя объясняет так называемая мембранно-ионная теория. Согласно этой теории все клетки покрыты мембраной, имеющей неодинаковую проницаемость для различных ионов. В связи с этим внутри клетки в цитоплазме в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем на поверхности. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия. Диффузия положительно заряженных ионов калия из цитоплазмы на поверхность клетки придает наружной поверхности мембраны положительный заряд.

Таким образом, поверхность клетки в покое несет на себе положительный заряд, тогда как внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно за счет ионов хлора, аминокислот и других крупных органических анионов, которые через мембрану практически не проникают (рис. 70).

Потенциал действия

Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя, то в этом участке возникает возбуждение, проявляющееся в быстром колебании мембранного потенциала и называемое потенциалом действия .

Потенциал действия можно зарегистрировать либо с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности волокна (внеклеточное отведение), либо микроэлектрода, введенного в цитоплазму (внутриклеточное отведение).

При внеклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий период, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженной электроотрицательно по отношению к покоящемуся участку.

Причина возникновения потенциала действия - изменение ионной проницаемости мембраны. При раздражении проницаемость клеточной мембраны для ионов натрия повышается. Ионы натрия стремятся внутрь клетки, так как, во-первых, они заряжены положительно и их влекут внутрь электростатические силы, во-вторых, концентрация их внутри клетки невелика. В покое клеточная мембрана была малопроницаемой для ионов натрия. Раздражение изменило проницаемость мембраны, и поток положительно заряженных ионов натрия из внешней среды клетки в цитоплазму значительно превышает поток ионов калия из клетки наружу. В результате внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная вследствие потери положительно заряженных ионов натрия отрицательно. В этот момент и регистрируется пик потенциала действия.

Повышение проницаемости мембраны для ионов натрия продолжается очень короткое время. Вслед за этим в клетке возникают восстановительные процессы, приводящие к тому, что проницаемость мембраны для ионов натрия вновь понижается, а для ионов калия возрастает. Поскольку ионы калия также заряжены положительно, то, выходя из клетки, они восстанавливают исходные отношения снаружи и внутри клетки.

Накопления ионов натрия внутри клетки при многократном возбуждении ее не происходит потому, что ионы натрия эвакуируются из нее постоянно за счет действия специального биохимического механизма, называемого "натриевым насосом". Есть данные и об активном транспорте ионов калия с помощью "натрий-калиевого насоса".

Таким образом, согласно мембранно-ионной теории в происхождении биоэлектрических явлений решающее значение имеет избирательная проницаемость клеточной мембраны, обусловливающая разный ионный состав на поверхности и внутри клетки, а следовательно, и разный заряд этих поверхностей. Следует заметить, что многие положения мембранно-ионной теории все еще дискуссионны и нуждаются в дальнейшей разработке.

Оба эти элемента находятся в первой группе системы Менделеева - они соседи и во многих отношениях похожи друг на друга. Активные, типичные металлы, атомы которых легко расстаются со своим единственным внешним электроном, переходя в ионное состояние, эти элементы образуют многочисленные соли, широко распространенные в природе. Однако более внимательное исследование обнаруживает, что биологические функции натрия и калия не одинаковы. Соли калия лучше поглощаются почвенным комплексом, поэтому в тканях растений оказывается относительно больше калия, тогда как соли натрия преобладают в морской воде. В биологических машинах оба эти иона иногда действуют совместно, иногда прямо противоположным образом.

В распространении по нерву электрических импульсов принимают участие оба иона. В покоящемся нерве, во внутренней его части, сосредоточен отрицательный заряд (рис. 20, а), а на внешней стороне - положительный; концентрация ионов калия больше концентрации ионов натрия внутри нерва. При раздражении изменяется проницаемость мембраны нервного волокна, и ионы натрия устремляются внутрь нерва быстрее, чем ионы калия успевают выходить оттуда (рис. 20, б). В результате на внешней стороне нервного волокна появляется отрицательный заряд (там не хватает катионов), а внутри нерва (где имеется теперь избыток катионов) возникает положительный заряд (рис. 20, в). На внешней стороне волокна начинает происходить диффузия ионов натрия от соседних участков к тому, который обеднен ионами этого металла. Энергичная диффузия ведет к появлению отрицательного заряда уже на соседних участках (рис. 20, г), а на исходном восстанавливается первоначальное состояние. Таким образом, состояние поляризации (плюс - внутри, минус - снаружи) передвинулось по нервному волокну. Дальше все процессы повторяются, и нервный импульс довольно быстро распространяется по всему нерву. Следовательно, механизм распространения электрического импульса по нерву обусловлен различной проницаемостью мембраны нервного волокна по отношению к ионам натрия и калия.

Вопрос о проницаемости мембран клеток для тех или иных веществ крайне важен. Прохождение вещества через биологическую мембрану далеко не всегда напоминает простую диффузию через пористую перегородку. Так, например, глюкоза и другие углеводы проходят через мембрану эритроцита с помощью специального переносчика, который проводит молекулы через мембрану. При этом должны выполняться специальные условия - молекула углевода должна иметь определенную форму, она должна быть изогнута так, чтобы ее контур приобрел очертания кресла, иначе перенос может не состояться. Концентрация углеводов во внешней среде больше, чем внутри эритроцита, поэтому такой перенос называют пассивным.

Бывают случаи, когда мембрана наглухо закрывается для определенных ионов: в частности, в митохондриях внутренняя мембрана вообще не пропускает ионов калия. Однако эти ионы попадают внутрь митохондрии, если в окружающей среде имеются антибиотики валиномицин или грамицидин. Валиномицин специализируется, главным образом, на ионах калия (может переносить и ионы рубидия и цезия), а грамицидин переносит, кроме калия, также ионы натрия, лития, рубидия и цезия.

Было выяснено, что молекулы таких проводников имеют форму баранки, радиус отверстия которой таков, что внутри баранки помещается ион калия, натрия или другого щелочного металла. Эти антибиотики назвали ионофорами ("носителями ионов"). На рис. 21 показаны схемы переноса ионов сквозь мембрану молекулами валиномицина и грамицидина. Весьма вероятно, что то токсическое действие, которое антибиотики оказывают на различные микроорганизмы, как раз и связано с тем, что в их присутствии мембраны начинают пропускать внутрь те ионы, которым быть там не полагается; это нарушает работу химических систем клетки микроорганизма и ведет к ее гибели или к серьезным расстройствам, прекращающим ее размножение.

Существенную роль в биологических машинах играют активные переносы через мембраны (см. гл. 8). Возникает вопрос: откуда же черпается энергия, необходимая для активного переноса, и можно ли осуществить его без специального переносчика?

Что касается энергии, то в конечном счете она доставляется все теми же универсальными молекулами АТФ или креатинфосфатом, гидролиз которых сопровождается освобождением больших количеств энергии. А вот относительно переносчиков вопрос менее ясен, хотя несомненно, что без ионов металлов калия и натрия здесь не обойтись.

Концентрация различных веществ в клетке (белковых и минеральных) выше, чем в окружающей среде; по этой причине чаще всего клетка оказывается под угрозой чрезмерного проникновения в нее воды (в результате осмоса). Для того чтобы избавиться от этого, клетка выкачивает ионы натрия в окружающую среду и тем самым выравнивает осмотическое давление. По этой причине концентрация ионов натрия в клетке меньше, чем в среде. Здесь опять обнаруживается различие между натрием и калием. Удаляется натрий, и концентрация ионов калия оказывается относительно больше внутри клетки. Так, эритроцит содержит калия примерно в пять раз больше, чем натрия.

И в мышцах велико содержание калия: на 100 г сырой мышечной ткани калия содержится 366 мг, а натрия 65 мг. Калий в мышцах облегчает переход глобулярной формы актина в фибриллярную, которая и соединяется с миозином (см. выше).

Известны некоторые случаи, когда фермент, активируемый ионом калия, подавляется ионами натрия, и наоборот. Поэтому открытие фермента, для действия которого необходимы оба иона, привлекло внимание биохимиков. Фермент этот ускоряет гидролиз АТФ и называется (K + Na) АТФ-аза. Для понимания его роли и механизма действия надо опять обратиться к процессам переноса.

Как мы уже указывали, внутри клеток повышена концентрация ионов калия, а в окружающей клеточной среде относительно больше натрия. Выкачивание ионов натрия из клетки ведет к усиленному поступлению в клетку ионов калия, а также и других веществ (глюкозы, аминокислот). Ионы натрия и калия могут обмениваться по принципу "ион на ион", и тогда не возникает разности потенциалов по обе стороны клеточной мембраны. Но если внутри клетки оказывается больше ионов калия, чем оттуда ушло ионов натрия, возможно возникновение скачка потенциалов (около 100 мВ); система выкачивания натрия называется "натриевым насосом". Если при этом появляется разность потенциалов, то применяют термин "электрогенный натриевый насос".

Введение больших количеств ионов калия в клетку оказывается необходимым, так как ионы калия способствуют синтезу белка (в рибосомах), а также ускоряют процесс гликолиза.

В мембране клетки и располагается (K + Na) АТФ-аза - белок с молекулярной массой 670 000, который до сих пор не удалось отделить от мембран. Этот фермент гидролизует АТФ, а энергия гидролиза используется для переноса в направлении роста концентрации.

Замечательным свойством (К + Na) АТФ-азы является то, что она в процессе гидролиза АТФ активируется изнутри клетки ионами натрия (и тем обеспечивает выведение натрия), а снаружи клетки (со стороны среды) - ионами калия (облегчая их введение в клетку); в итоге и происходит необходимое клетке распределение ионов этих металлов. Интересно отметить, что ионы натрия в клетке никакими другими ионами заменить нельзя. АТФ-аза активируется изнутри только ионами натрия, но ионы калия, действующие снаружи, можно заменить на ионы рубидия или аммония.

Для функций отдельных органов, в частности сердца, имеет значение не только концентрация ионов калия, натрия, кальция и магния, но и их отношение, которое должно лежать в определенных пределах. Отношение концентраций этих ионов в крови человека не слишком отличается от соответствующего отношения, характерного для морской воды. Возможно, что биологическая эволюция от первых форм жизни, возникших в водах первичного океана или на его отмелях, до ее высших форм, сохранила некоторые химические "отпечатки" далекого прошлого...

Возвращаясь к началу этой главы, мы снова вспоминаем о многофункциональности ионов, об их способности выполнять в организмах самые разнообразные обязанности. Кальций, натрий, калий, а также кобальт проявляют эту способность неодинаковым образом. Кобальт образует прочный комплекс корринового типа, и уже этот комплекс катализирует разнообразные реакции. Кальций, натрий, калий выполняют функции активаторов. А вот ион магния может действовать и как активатор, и как составная часть прочного комплексного соединения - хлорофилла, одного из самых важных соединений, созданных природой.

Выдающийся ученый К. А. Тимирязев посвятил хлорофиллу труд, названный им "Солнце, жизнь и хлорофилл", указав в нем, что именно хлорофилл и есть то звено, которое связывает процессы выделения энергии на Солнце с жизнью на Земле.

В следующей главе мы и рассмотрим свойства этого интересного соединения.