Потенциал покоя и потенциал действия в нормальных предсердных и желудочковых клетках и в волокнах Пуркинье

 

Нормальное регулярное сокращение сердца сопровождается циклическими изменениями мембранного потенциала миокардиальных клеток. Применение внутриклеточных микроэлектродов позволяет прямо определить изменения мембранного потенциала; как было показано, при распространении возбуждения по сердцу они варьируют по амплитуде и развитию во времени [3]. Микроэлектродная техника включает введение тонкого стеклянного капилляра в клетку, что позволяет в течение длительного времени непосредственно регистрировать мембранный потенциал, т. е. разность потенциалов между внутриклеточной средой и внеклеточной жидкостью. С помощью микроманипулятора микроэлектрод продвигается до тех пор, пока его кончик (обычно менее 1 мкм в диаметре) не пройдет через клеточную мембрану. В тот момент, когда кончик микроэлектрода проходит с внешней поверхности клетки внутрь, внезапно регистрируется отрицательная разность потенциалов с учетом отношения к нейтральному электроду, помещенному во внеклеточную жидкость (рис. 3.1). Микроэлектродные исследования обычно проводятся на изолированных пучках миокардиальных волокон, помещенных в камеру и перфузируемых теплым оксигенированным раствором. Потенциалы действия в таких препаратах могут быть вызваны посредством пропускания коротких импульсов тока через электроды, находящиеся на поверхности волокна (см. рис. 3.1). Однако в отсутствие вызванных потенциалов действия внутренняя часть большинства миокардиальных клеток (за исключением клеток синусового и атриовентрикулярного узлов, которые будут отдельно обсуждаться ниже) остается отрицательно заряженной (80—90 мВ) по отношению к внеклеточному пространству [3]. Этот трансмембранный потенциал, наблюдаемый при отсутствии электрического возбуждения, называется потенциалом покоя.

 

 

Рис. 3.1. Потенциал покоя и потенциал действия в сердечных клетках. Вверху — схематическое изображение клетки (кружок) и двух микроэлектродов. Фрагмент А — оба микроэлектрода находятся во внеклеточном пространстве и разности потенциалов между ними нет; Б — кончик одного микроэлектрода введен в клетку, что позволяет регистрировать разность потенциалов между внутренним пространством клетки и внеклеточной средой; в данном случае это потенциал покоя, равный —90 мВ; В — фаза быстрой деполяризации потенциала действия, возникающая при возбуждении клетки, на пике потенциала действия клетка становится на +30 мВ более положительной по отношению к внешней среде; Г — конечная фаза реполяризации, во время которой мембранный потенциал возвращается к уровню покоя (фрагмент Д) [20].

 

 

Как и во многих других возбудимых клетках [4], потенциал покоя сердечных клеток определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия относительно клеточной мембраны, тогда как быстрое изменение потенциала во время начала возбуждения зависит от градиента концентрации ионов натрия [5, 6]. Градиенты концентрации имеют противоположную направленность. Внутриклеточная концентрация ионов калия, [К⁺] в примерно в 30 раз выше внеклеточной, [К⁺]_о. Например, в волокнах Пуркинье [К⁺]_i и [К⁺]_о обычно составляют 140—150 мМ и 4—5 мМ соответственно [7]. Внутриклеточная концентрация ионов натрия, [Na⁺]_i, напротив, значительно ниже внеклеточной, [Na⁺]_о; в волокнах Пуркинье [Na⁺]_i и [Na⁺]_о равны 10 мМ и 150 мМ соответственно [8]. Во время существования каждого потенциала действия небольшое количество ионов натрия входит в клетку, а некоторое количество ионов калия выходит из нее. Как мы увидим далее, нормальная электрическая активность клеток зависит от существования столь высоких градиентов для Na⁺ и К⁺, а длительное поддержание таких градиентов — от механизма активного ионного транспорта, называемого натриевым насосом. Этот механизм хорошо изучен; известно, что насос является Мg²⁺-АТФазой (аденозинтрифосфатазой), находящейся в клеточной мембране, и что он использует энергию АТФ (аденозинтрифосфата) для перемещения ионов натрия за пределы клетки, а ионов калия — внутрь клетки. Такое движение ионов, безусловно, сопряжено с дополнительным расходом энергии, поскольку оно естественно затруднено как для калия, так и для натрия (т. е. против соответствующих градиентов их электрохимического потенциала). Однако потоки ионов, перемещающиеся (под действием насоса) в двух направлениях, по-видимому, не равновелики: на каждый перемещенный внутрь клетки ион калия приходится более одного иона натрия, выведенного за ее пределы [9]. Таким образом, натриевый насос обеспечивает четкое движение положительного заряда наружу или, иначе говоря, определенную направленность генерируемого тока через клеточную мембрану. Возникающий ток обычно очень мал, но при определенных условиях он может внести существенный вклад в изменение мембранного потенциала, что описано ниже.

 

Потенциал покоя

 

 

 

Рис. 3.2. Распределение ионов, способствующее потенциалу покоя.

Показаны типичные концентрации ионов внутри и вне клетки. В покое клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К⁺, но слабо проницаема для ионов Na⁺ и непроницаема для крупных анионов (А^–). Проницаемость для Сl^– также относительно низкая, и распределение ионов Сl^– скорее всего определяется средней величиной мембранного потенциала.

 

 

Как уже упоминалось, величина потенциала покоя определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия. Это связано с тем, что в покое клеточная мембрана относительно проницаема для ионов калия, но сравнительно непроницаема для других ионов, таких как натрий, кальций или хлор. Ввиду существования градиента концентрации ионы калия стремятся диффундировать из клетки через мембрану. Электронейтральность не может поддерживаться за счёт движения клеточных анионов наружу, так как эти анионы в основном являются большими поливалентными ионами (часто связанными с клеточными белками), для которых клеточная мембрана непроницаема [10]. Поэтому направленное кнаружи движение положительно заряженных ионов калия приводит к возникновению отрицательного заряда внутри клетки (рис. 3.2). Если бы клеточная мембрана была проницаемой только для ионов калия, то последние продолжали бы диффундировать из клетки до тех пор, пока внутри нее не накопился бы достаточный отрицательный заряд и электростатическое притяжение не стало бы препятствовать дальнейшему четкому движению калия кнаружи. В этом случае направленная внутрь сила электрического поля будет точно равной противоположно направленной (кнаружи) силе, связанной с градиентом концентрации, и ионы калия перестанут четко перемещаться кнаружи: алгебраическая сумма этих двух сил, называемая градиентом электрохимического потенциала, будет равной нулю. Внутриклеточный потенциал, при котором суммарный пассивный поток ионов калия равен нулю, называется потенциалом равновесия ионов калия (Е_K); его величина определяется из уравнения Нернста [3—5]:

 

 

где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, F — константа Фарадея, [К⁺]_о и [ К⁺]_i — внеклеточная и внутриклеточная концентрации соответственно (точнее говоря, вместо отношения концентраций используется отношение ионной активности, но эти два отношения практически одинаковы, если коэффициенты внутренней и внешней активности ионов калия близки по значению). Например, величина Е_K для волокна Пуркинье при 36 °С, когда [K⁺]_о равна 4 мМ, а [К⁺]_i — 150 мМ, составляет

 

Е_K= RT/F • ln(4/150) = —96,6 мВ.

 

Из уравнения Нернста видно, что Е_K изменится на 61,4 мВ при 10-кратном изменении либо [К⁺]_о, либо [К⁺]_i,. Если бы клеточная мембрана была проницаемой исключительно для К⁺, клетка вела бы себя точно так же, как калиевый электрод, и ее внутриклеточный потенциал менялся бы с изменением [К⁺]_i и [К⁺]_о в точном соответствии с уравнением Нернста. Действительно, мембранный потенциал волокон Пуркинье в покое, а также миокардиальных волокон предсердий и желудочков логически хорошо аппроксимируется уравнением Нернста, когда [К⁺]_о выше 10 мМ. Однако при более низких величинах [К⁺]_о потенциал покоя этих клеток менее отрицательный, чем калиевый потенциал равновесия, и данное расхождение увеличивается по мере уменьшения [К⁺]_о [5, 11]. Например, потенциал покоя волокон Пуркинье в растворе, содержащем 4 мМ К⁺, на несколько милливольт менее отрицательный, чем Ек, оцененный выше. Это объясняется тем, что клеточная мембрана не является проницаемой исключительно для K⁺, как предполагалось выше; через нее проникают также (хотя и значительно хуже) ионы Na⁺. Поскольку и электрический градиент, и градиент концентрации благоприятствуют движению Na⁺ внутрь, через клеточную мембрану протекает небольшой входящий деполяризующий поток ионов. Деполяризация, вызываемая этим потоком Na⁺, пренебрежимо мала при высокой [К⁺]_о и, следовательно, высокой проводимости мембраны для калия, но она становится значительной при низкой [К⁺]_о, так как в этих условиях протекающие через мембрану потоки К⁺ также существенно уменьшаются.

Деполяризующее влияние Na⁺ удобнее всего обозначать терминами уравнения «постоянного поля» Гольдмана [12] или Ходжкина и Катца [13] для потенциала покоя (V_r) клетки, проницаемой как для К⁺, так и для Na⁺

 

 

где p_na/p_k — отношение коэффициентов проницаемости клеточной мембраны для натрия и для калия. Данное уравнение, как было показано, позволяет достаточно точно рассчитать потенциалы покоя в волокнах скелетных мышц и в волокнах Пуркинье (миокард) в более широком диапазоне величин [К⁺]_о, чем при расчетах по формуле Нернста, если p_na/p_k постоянно и составляет приблизительно 1/100. Так как [К⁺]_i в норме значительно больше, чем [Na⁺]_i, в данном отношении коэффициентов проницаемости второй член в знаменателе достаточно мал и им можно пренебречь, что позвояет переписать уравнение следующим образом:

 

 

или, если принять [Na⁺]_о равным 150 мМ, то

 

 

Из этого уравнения сразу видно, что потенциал покоя (V_r) близок к калиевому потенциалу равновесия (Е_K) только при [К⁺]_о значительно большем, чем 1,5 мМ; при низких значениях [К⁺]_о второй член в числителе начинает играть важную роль. Например, при [К+]₀, равном 1,5 мМ, V_r будет менее отрицательным, чем Е_K, на 61,4•log (3/1,5) = 61,4•log 2, или приблизительно на 18 мВ. Заметьте, что до сих пор обсуждение велось только в терминах относительной проницаемости мембраны для ионов натрия и калия без рассмотрения абсолютных величин коэффициентов проницаемости. Как следует из уравнения Гольдмана, а также Ходжкина и Катца, потенциал покоя чувствителен к отношение проницаемости ионов, а не к самим величинам проницаемости. Например, даже если проницаемость для ионов Na⁺ была бы очень значительной, потенциал покоя определялся бы главным образом градиентом концентрации ионов К⁺ до тех пор, пока проницаемость мембраны дляК⁺ оставалась бы гораздо выше, чем для Na⁺. Каналы мембраны, через которые движутся ионы К⁺, создавая калиевые потоки, определяющие мембранный потенциал покоя, известны как направленные кнутри К-каналы. Объем калиевых потоков, проходящих по этим каналам, находится в четкой зависимости от величины и направления электрохимической движущей силы для K⁺, равной (V_m—Е_K), т. е. разности мембранного потенциала (V_m) и калиевого потенциала равновесия (Е_K). Эти каналы называют «каналами, направленными внутрь», так как они позволяют прохождение направленных внутрь больших потоков К⁺ при высоких и отрицательных значениях V_m— Е_K, но обеспечивают лишь очень небольшие потоки K⁺, направленные кнаружи, когда движущая сила велика и положительна [10, 11, 36].

Изменения уровня потенциала покоя являются основной причиной аритмии и нарушений проведения, и мы уже могли видеть, как подобные изменения возникают при тех или иных патологических состояниях. Например, заболевание сердца может привести к изменениям внутриклеточной и (или) внеклеточной концентрации ионов К⁺, что в свою очередь вызовет изменение мембранного потенциала покоя. В других случаях характеристики клеточной мембраны могут изменяться таким образом, что относительная проницаемость мембраны для Na⁺ или других ионов (таких как Са²⁺, возрастет, в результате чего потенциал покоя также изменится. Ниже мы подробнее обсудим эти возможные варианты.