Нейро-биология Том 1 - Шеперд Г.
Скачать (прямая ссылка):
138
II. Клеточные механизмы
Проникновение микроэлектрода в клетку
V=58 Ig
s о
| -20 =г
I -40
о
с
’5 -60
А
X
0 -80
О)
1 -100 &
^ -120
[KlQ+0,01 [Na]D 140
0 0,2 0,5 1,0 2,5 5 10 20 50 100 Концентрация калия, мМ
Рис. 6.6. А. Зависимость мембранного потенциала покоя от концентрации К+ во внеклеточной жидкости. Б. Экспериментальная (результаты наблюдений— светлые кружки) и теоретическая кривые зависимости мембранного потенциала от концентрации К+ во внеклеточной среде. (Hodgkin, Horowitz, 1971.)
нец. Эту проволоку соединяют с соответствующим электронным усилителем и регистрирующим устройством. Для регистрации лучше всего использовать электронно-лучевой осциллограф. Основная деталь этого прибора — электронно-лучевая трубка — устроена по тому же принципу, что и телевизионная трубка; однако в трубке осциллографа вдоль экрана пробегает лишь один луч. Электрические потенциалы можно регистрировать при различных значениях скорости развертки луча и чувствительности приборов (рис. 6.5).
В том случае, когда оба электрода расположены во внеклеточной среде, луч на экране осциллографа не отклоняется от исходного уровня. Если же аккуратно ввести кончик микроэлектрода в нервное волокно (порой этому может помочь легкое постукивание по экспериментальному столику), то возникает скачкообразное отклонение луча в сторону отрицательного потенциала. Это свидетельствует о том, что кончик микроэлектрода проник в среду, заряженную отрицательно по отношению к внеклеточной среде (на рис. 6.6А указано стрелкой). При правильном введении микроэлектрода мембрана охватывает его кончик и, если никто в темноте не зацепится за провод или не хлопнет дверью (!), регистрируемый мембранный потенциал будет удерживаться на постоянном уровне в течение многих минут или даже часов.
Постоянный отрицательный потенциал, регистрируемый в таком опыте, называется мембранным потенциалом покоя. Считается, что он возникает на мембране. В типичном случае величина мембранного потенциала покоя находится в пределах от —60 до —70 мВ. Явление, о котором идет речь, когда
6. Мембранный потенциал
139
на внутренней стороне мембраны заряд отрицателен, называют поляризацией. Уменьшение степени поляризации (смещение мембранного потенциала к 0) называется деполяризацией, а увеличение — гиперполяризацией. Значение подобных изменений мембранного потенциала мы рассмотрим позже.
Мембранный потенциал покоя близок к равновесному потенциалу для К+, описываемому уравнением Нернста. Это подтверждает правильность наших представлений о природе мембранного потенциала; однако для дальнейшей проверки нашей теории необходимо исследовать влияние концентрации [K+]out (т. е. концентрации ионов К+ в омывающем аксон растворе) на величину мембранного потенциала. Результаты подобного опыта приведены на рис. 6.6А. При увеличении [K+]out, т. е. снижении концентрационного градиента К+ по обе стороны мембраны, мембранный потенциал уменьшается; иными словами, мембрана деполяризуется. На рис. 6.6Б приведена кривая, построенная в подобных экспериментах, в сопоставле-нии с теоретической кривой, вытекающей из уравнения Нернста. Видно, что экспериментальная кривая хорошо соответствует теоретической при высоких концентрациях калия, однако отклоняется от нее при низких концентрациях (т. е. при условиях, соответствующих естественным).
Такое расхождение между экспериментальной и теоретической кривыми может свидетельствовать о том, что в норме мембранный потенциал создается не только калием, но и другими ионами. Действительно, при рассмотрении равновесия Доннана мы предположили, что мембрана в какой-то мере проницаема для С1- и Na+. Можно рассчитать равновесные потенциалы для каждого из этих ионов. Так, для натрия этот потенциал составляет
р _ EQ fNa+lout Na g [Na+]in
= +55 мВ (6.5)
Таким образом, равновесный потенциал для Na+ имеет знак, противоположный равновесному потенциалу для К+. Это соответствует противоположному направлению концентрационных градиентов этих ионов (рис. 6.2). Если бы проницаемость мембраны для Na+ была такой же, как и для К+, то между обоими потенциалами установилось бы равновесие, и в результате мембранный потенциал был бы близок к 0. Однако в покое проницаемость для Na+ в 25 раз ниже, и поэтому проникновение ионов Na+ приводит лишь к незначительному сниже-
140
II. Клеточные механизмы
нию мембранного потенциала (деполяризации клетки) по сравнению с равновесным потенциалом для К+.
Суммарное влияние различных ионов на мембранный потенциал можно обобщить следующим уравнением:
V — ip Рк [K+]0ut *Ь ^Na [Na+Ut ~f~ Pq\ [Cl ]jn /n cv
м [K+j|n + *Na [Na+hn + Pci [Cl“Joat ' ' >
где Ум—мембранный потенциал, а Р — относительная мембранная проницаемость. Это уравнение было выведено ученым из Бетесды Д. Гольдманом (D. Goldman) в 1943 г. При составлении этого уравнения были приняты некоторые допущения: так, предполагается, что градиент потенциала (электрическое поле) внутри мембраны постоянен, и поэтому уравнение Гольдмана называют также уравнением постоянного поля. Коэффициентом, определяющим, насколько велик вклад градиента каждого из ионов в мембранный потенциал, в этом уравнении служит проницаемость мембраны для данного иона.
