Природа мембранного электробиопотенциала. Потенциал покоя, птенциал действия (токи покоя, ток действия)

Живая клетка – нервная, мышечная, железистая – во всех органах в результате обмена веществ генерирует электрический потенциал, т.е. биологически создаваемый электрический ток.

Потенциал покоя. Природа возникновения электрического потенциала состоит в следующем:

а) во всех возбудимых тканях существует электрический потенциал между внутренней и внешней сторонами плазматической мембраны (между протоплазмой клетки и межклеточной жидкостью);

б) в невозбужденном состоянии (т.е. покое) клетки этот потенциал называется током покоя имеет определенную направленность: внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, внешняя положительно, т.е имеется разность потенциалов + и -. Если поместить электроды вольтметра во внутреннюю часть клетки, то можно видеть электрическое напряжение в скелетных мышцах, равное - 90 мВ, гладких мышцах -30-70 мВ, миокарде - 80 мВ, в нервных клетках и волокнах – 60-70 мВ, эритроцитах - 7-10 мВ;

в) разность потенциалов на внутренней и внешней поверхности мембраны обусловлена ассиметричным распределение ионов внутри и вне клетки и избирательнй проницаемостью мембраны, в которой для этого есть поры до 500 шт/10^-6 мм²;

г)  во внеклеточной жидкости главным катионом является Na⁺, его концентрация здесь в 10-20 раз выше, чем внутри клетки. Основной катион внутри клетки – К⁺, здесь его в 20-40 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Анионы внеклеточной жидкости - хлорид (Cl^-) и гидрокарбонат-ионы (HCO ). Они удерживают натрий. Внутри клетки отрицательными анионами являются молекулы белка, аминокислот, органических кислот;

д) согласно законам диффузии и осмоса для уравновешивания концентрации ионов К и Na по обе стороны мембраны, калий должен выходить из клетки, а натрий через мембрану проникать внутрь клетки. Однако этого не происходит, так как каналы проницаемы только для калия и хлора, а гидротированный натрий не проходит через поры. Калий стремится покинуть клетку, и определенная его часть выходит наружу. В результате на внешней стороне мембраны образуется положительный потенциал, а внутри клетки – отрицательный;

е) такое движение К⁺ и Cl^- и нарастание потенциала происходит до тех пор, пока сила препятствующая выходу калия не станет равной осмотическому давлению ее ионов. Такое состояние называется калиевым равновесным  потенциалом. Это - ток покоя. Ионы Na⁺, пассивно проникающие в клетку, обратно диффундируют (против концентрационного и электрического градиента) крайне слабо, так как повышение их уровня во внутриклеточной жидкости недопустимо. Они выводятся актмвно с помощью ионно натриевого насоса. Активный транспорт Na⁺ из клетки сопряжен со входом К⁺  в клетку, что выгодно с точки зрения затрат энергии. В сопряженном натриево-калиевом насосе движение ионов осуществляется переносчиками - белками мембраны с участием энергии АТФ. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Na⁺ выводятся наружу и два иона К⁺ поступают внутрь клетки.

Таким образом потенциал покоя и положительный заряд на поверхности мембраны обусловлен, главным образом, движением ионов калия по градиенту концентрации. Отрицательный заряд внутри клетки в состоянии покоя обусловлен высокой концентрацией внутри клетки недиффундируемых анионов и входом в нее некоторого количества анионов хлора из внеклеточной жидкости.

Потенциал покоя является основой распрастраняющегося нервного импульса в возбудимых тканях. Снижение величины мембранного потенциала называется деполяризацией, а увеличение гиперполяризацией.

Потенциал (ток) действия. Потенциалом действия называется быстрое колебание (спайк) мембранного потенциала, возникшее при возбуждении нервных или мышечных клеток. При этом происходит деполяризация мембраны.

В основе генерации тока действия лежат резкие обратимые изменения проницаемости натриевых и калиевых каналов мембраны в результате действия раздражителя на уровне не ниже порогового. Когда это происходит изменяется конформация белковых молекул, пронизывающих мембрану, что приводит к открытию или закрытию пор на мембране (ворот ионных каналов).

В результате резко возрастает пропускная способность натриевых каналов. Ионы натрия лавинообразно проникают внутрь клетки, их проникновение в 20-30 раз выше проникновения ионов калия. Переход натрия в клетку, приводит к быстрой деполяризации мембраны с последующей сменой полярности за 1 миллисекунду. Внешняя сторона мембраны становится – электроотрицательной, внутренняя – электроположительной. Электрический потенциал внутри клетки изменяется от -70 мВ до +40мВ.

Постепенно поток ионов натрия прекращается вследствии восстановительного процесса по закрытию натриевых каналов (инактивация натриевых каналов). Начинают активизироваться каналы калия. Ионы калия в большом количестве выходят из клетки, скапливаются на наружной поверхности в результате мембранный потенциал внутри клетки становится отрицательным, а на внешней стороне клетки – положительный. Инактивация способствует увеличению концентрации ионов кальция в клетке. Калиево-натриевый насос направлен на то, чтобы не было длительных сдвигов градиентов концентрации. Поэтому начинается очень быстро процесс выкачивающий избыток ионов натрия, вошедших в клетку, и обмен их на катионы калия.

Это - фаза реполяризации: восстановления потенциала покоя, она длится 1-2 миллисекунды. Во время деполяризации, т.е. смены полярности, соответствующий участок мембраны становится полностью невозбудимым (это - период абсолютной рефрактерности). Он играет важную роль, ограничивая максимальную частоту генерации потенциала действия.