Мембранний потенціал

 

Між обома поверхнями плазматичної мембрани клітини підтримується різниця електричних потенціалів – мембранний потенціал. У стані спокою електричний потенціал цитоплазми φ_і, є негативним відносно електричного потенціалу зовнішнього середовища клітини φ_о. Мембранний потенціал вимірюють як φ_і – φ_о. У стані спокою мембранний потенціал (потенціал спокою)єнегативною величиною, що становить у різних клітинах від -30 до -100 мВ. Так, потенціал спокою мієлінізованого нервового волокна дорівнює -70 мВ.

У 1902 р. Ю. Бернштейн висунув першу обґрунтовану гіпотезу щодо походження потенціалу спокою в нервових і м'язових волокнах. З результатів хімічного аналізу було відомо, що протоплазма нервових і м'язових волокон має високу концентрацію калію й що у клітині є аніони, для яких клітинна мембрана у стані спокою є непроникною. Наявні на той час дані надали можливість вважати, що у стані спокою мембрана є проникною для іонів калію. Тому Бернштейн припустив, що мембранний потенціал виникає внаслідок нерівномірного розподілу іонів калію й може бути розрахований при використанні рівняння Нернста:

RT [К⁺]_о

Е_К = —— ln ——— , (8.3)

F [К⁺]_і

де Е_К – калієвий рівноважний потенціал, тобто така трансмембранна різниця потенціалів, за якої немає домінуючого переходу іонів калію через мембрану в тому або іншому напрямку й система перебуває в рівновазі; [К⁺]_о і [К⁺]_і – концентрація калію зовні та всередині клітини, відповідно; R – газова стала; Т –абсолютна температура; F –число Фарадея.

За фізіологічних значень [К⁺]_о і [К⁺]_і Е_К<0. Бернштейн не мав змоги експериментальне перевірити власну гіпотезу, тому що на той час не було методів точного визначення трансмембранного потенціалу. Для прямого вимірювання мембранного потенціалу потрібно було помістити електроди з обох боків мембрани – один всередині клітини, а другий – зовні. Пряме вимірювання мембранного потенціалу було вперше здійснено на гігантському аксоні кальмара (А. Ходжкін, Е. Хакслі, 1939; X. Кертіс, К. Коул, 1942).

Пізніше Дж. Грем і Р. Джерард (1946) розробили метод виготовлення скляних капілярних мікроелектродів з діаметром кінчика менше 1 мкм. Кінчик такого електрода є настільки тонким, що його можна вводити в різноманітні клітини без суттєвого їх ушкодження. Скляний капіляр заповнюють концентрованим сольовим розчином (частіше за все хлоридом калію концентрацією 3 моль/л), що забезпечує електропровідність, і з'єднують з підсилювачем за допомогою металевих електродів (зазвичай із хлорованого срібного дроту), які не поляризуються. На рис. 8.2. наведено схему вимірювання мембранного потенціалу за допомогою скляних електродів.

Рис. 8.2. Схема вимірювання мембранного потенціалу скляним електродом:

1 –сольові містки на агарі; 2 – скляний електрод; 3 – розчин Рінгера; 4 – досліджувана клітина

Для перевірки гіпотези Бернштейна слід було з'ясувати, яким чином впливає на мембранний потенціал співвідношення концентрацій калію зовні й усередині клітини. За рівнянням Нернста, при збільшенні чи зменшенні зовнішньої або внутрішньої концентрації калію в 10 разів мембранний потенціал змішується на 58 мВ за температур, близьких до 20 °С. На рис. 8.3 наведено графік залежності мембранного потенціалу аксона кальмара від логарифма зовнішньої концентрації калію. Точки, отримані в експерименті, збігаються з результатами розрахунків тільки за умови досить високих зовнішніх концентрацій калію.

Якщо потенціал спокою дійсно зумовлено трансмембранним градієнтом концентрації калію, то доцільна перевірка могла б полягати й у зміні внутрішньоклітинної концентрації калію. Такий експеримент було успішно здійснено на гігантському аксоні кальмара П. Бейкером, А. Ходжкіним і Т. Шоу. Товщина гігантського аксона є достатньою для того, щоб можна було видавити з нього аксоплазму й за допомогою канюлі заповнити його потрібним штучним розчином, істотно не порушуючи властивостей поверхневої мембрани (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Залежність мембранного потенціалу аксона кальмара від позаклітинної концентрації іонів калію (вісь абсцис – концентрація калію в логарифмічному масштабі); точками позначено результати вимірювання; наведено залежність, розраховану за рівнянням Нернста

Рис. 8.4. Схема видалення аксоплазми з гігантського аксона кальмара для наступного його заповнення піпетковим розчином (А. Ходжкін, 1964):

1–піпетка, заповнена відповідним розчином; 2 – аксон; 3 – гумовий валик

 

За умови нормальної концентрації калію у внутрішньоклітинному розчині такі аксони в разі подразнення продовжували генерувати багато тисяч нервових імпульсів, якщо мембрана не була ушкодженою.

На таких перфузованих аксонах було вивчено вплив різноманітних внутрішньоклітинних концентрацій калію, й отримані результати відповідали рівнянню Нернста в певних межах змін концентрації. Наприклад, за високої зовнішньої концентрації калію (540 ммоль/л) і низької внутрішньої (100 ммоль/л) (інакше кажучи, коли співвідношення [К⁺]о/[К⁺]і дорівнює 5,4 : 1 замість 1 : 20) мембранний потенціал змінює свій знак – зовнішній поверхня мембрани стає електронегативним відносно внутрішнього. Рівняння Нернста передбачає, що за однакових зовнішньої та внутрішньої концентрації калію мембранний потенціал дорівнюватиме нулю. Дослідами доведено, що мембранний потенціал спокою дійсно зникає за цих умов (в діапазоні від 10 до 540 ммоль/л).