Нейро-биология Том 1 - Шеперд Г.
Скачать (прямая ссылка):
где R — газовая постоянная (мера внутренней энергии вещества), Т — абсолютная температура (при повышении температуры активность молекул вещества возрастает). Концентрации К+ внутри (in) и снаружи (out) от мембраны выражены в молях. Мы не будем указывать, в каких единицах выражаются все эти величины, так как нас интересуют лишь общие закономерности, вытекающие из математических уравнений.
По мере диффузии К+ из клетки происходит обратная диффузия С1~ внутрь клетки по концентрационному градиенту этого аниона (см. рис. 6.3 и рис. 6.4). Это приводит к разделению К+ и нейтрализующего его аниона С1_. Однако, поскольку противоположные заряды притягиваются, возникает электрическая сила, под действием которой К+ стремится внутрь клетки вслед за ионами С1~. Работа Аэ, затрачиваемая на преодоление этой (электрической) силы, описывается простым уравнением
где F— постоянная Фарадея (количество электрических зарядов в одном моле вещества), а Е — разность электрических потенциалов (в вольтах), возникающая вследствие разделения зарядов по обе стороны мембраны.
Когда в рассматриваемой нами модели установится равновесие, суммарный поток К+ или любых других веществ через мембрану будет равен нулю, а концентрационная сила, «выталкивающая» К+ из клетки, будет уравновешена противоположно направленной электрической силой. В связи с этим мы можем приравнять уравнение 6.2 к уравнению 6.3:
Лх = 2,3#7’ lg
[K+]0„t
lK+lin
(6.2)
At = FE
(6.3)
A. = Ar
FE = RT
(6.4)
136
II. Клеточные механизмы
Это уравнение было впервые получено Нернстом, и поэтому носит название уравнения Нернста. Е — это так называемый потенциал Нернста, или диффузионный потенциал. Для аксона кальмара при комнатной температуре (18°С) константа 2,3 RT/F —58-, подставляя значения концентраций К+ во внутренней и наружной среде, получаем
?K-58lg-|b!LMB
= —75 мВ
Если при изучении нейробиологии вам удастся запомнить хотя бы одно уравнение, то пусть это будет уравнение Нернста! Оно имеет первостепенное значение для понимания электрических процессов в любых клетках, и в том числе в нейронах. Для каждого отдельно взятого иона Е — это тот потенциал, при котором лоток данного иона через мембрану прекращается; в связи с этим Е называется равновесным по-тенциалом для того или иного иона. Иными словами, это тот потенциал, который создается на мембране вследствие диффузии того иона, для которого она проницаема. Поскольку этот потенциал формируется на оболочках живых клеток, он называется мембранным потенциалом. При изучении различных видов электрической активности, характерной для синаптических процессов и нервных импульсов, мы убедимся в том, что все они представляют собой изменения мембранного потенциала.
Мембранный потенциал
Английский астроном сэр Артур Эддингтон сказал как-то: «Пока астрономические наблюдение не подтверждаются теорией, верить им нельзя». Этот афоризм в значительной степени отражает и положение дел в биологии: мы начинаем верить
нашим результатам лишь тогда, когда мы можем удовлетворительно описать их теоретически. Именно поэтому мы начали с рассмотрения некоторых теоретических основ возникновения мембранных потенциалов. Теперь, когда мы знаем, почему такие потенциалы могут возникать, мы можем перейти к эксперименту, который покажет нам, каков же мембранный потенциал в действительности и согласуется ли он с нашей теорией.
Целью эксперимента является измерение трансмембранного электрического потенциала в нерве. Объектом исследования будет служить гигантский аксон кальмара. При любых измерен ниях электрических процессов регистрируют разность между
6. Мембранный потенциал
137
Рис 6.5. Внутриклеточные микроэлектроды, используемые для регистрации, раздражения и микроинъекций. Справа приведена схема установки для записи активности аксона кальмара; потенциалы выводятся на экран электронно-лучевого осциллографа (ЭЛО).
зарядами у двух электродов. В нашем опыте один такой электрод помещают внутрь аксона кальмара, а второй — в окружающую среду. Большой диаметр аксона (до 1 мм) позволяет вводить в него электрод (тонкую проволочку) через перерезанный конец. Однако нервные клетки обычно значительно меньше и поэтому для введения внутрь клетки используют специальные микроэлектроды.
При изготовлении внутриклеточного микроэлектрода отрезок стеклянной трубочки (капилляра) нагревают посередине и быстро растягивают; капилляр разрывается, и образуются очень топкие полые кончики. Таким способом получают так называемые микропипетки. Впервые микропипетки стали использовать примерно в 1950 г.; тогда их вытягивали вручную над пламенем бунзеновской горелки. Для этого нужны были твердая рука и верный глаз! В настоящее время существуют специальные приборы — «микрокузницы», изготовляющие микропипетки автоматически. Готовую микропипетку помещают широким концом в раствор электролита. Если в такой пипетке имеется тонкий стеклянный волосок, то раствор под действием капиллярных сил заполнит пипетку до кончика (рис. 6.5). При этом микропипетка превращается в микроэлектрод. Такой микроэлектрод вводят в нервное волокно, и раствор электролита играет роль проводника между аксоплазмой в области кончика электрода и проволокой, введенной в его широкий ко-
