Для того, щоб зрозуміти, як і чому виникає збудження в нервових або м'язових клітинах, необхідно перш за все усвідомити основні правила обміну речовинами між клітиною і навколишнім її середовищем, оскільки іони і невеликі молекули одночасно розчинені у водному середовищі клітини і в позаклітинному просторі, де їх концентрація відрізняється від внутрішньоклітинної. У середовищі біологів іноді кажуть, що для дослідження будь-якої біологічної проблеми Бог створив ідеальний організм. Експерименти, покладені в основу мембранної теорії, були проведені в 40-х роках ХХ століття на гігантських аксонах кальмара.
Діаметр цих аксонів досягає 1 мм, їх можна побачити навіть неозброєним оком, в них легко вводити електроди, щоб дослідити виникнення електричних сигналів - потенціалів дії. Саме на такому об'єкті працювали основоположники мембранної теорії, британські фізіологи Алан Ходжкин і Ендрю Хакслі (Hodgkin A. Huxley A.), лауреати Нобелівської премії 1963 року. Цитоплазма гігантських аксонів кальмара відрізняється від навколишнього позаклітинної рідини по концентрації деяких іонів (Таблиця 4.1).
Розподіл найважливіших іонів при збудженому стані мембрани гігантського аксона кальмара
Види іонів Цитоплазма Позаклітинна Рівноважний
ммоль / л ммоль / л мВ
Калій 400 20 - 75
Натрій 50 440 + 55
Хлор 52 560 - 60
Рівноважний потенціал - таке значення трансмембранної різниці електричних зарядів, при якому струм іонів в клітину і з неї стає однаковим, тобто фактично іони не переміщаються.
Як видно з таблиці, концентрація іонів калію всередині клітини набагато більше, ніж у позаклітинній рідині, а концентрація іонів натрію і хлору, навпаки, значно більше в позаклітинній рідині. Органічні аніони являють собою великі молекули, які не проходять через клітинну мембрану.
Коректно чи ні робити будь-які висновки про мембранах клітин теплокровних тварин, тим більше людини, вивчаючи нервові клітини кальмара? Порівняємо їх гігантські аксони, наприклад, з м'язовими клітинами теплокровних (Таблиця 4.2).
Результати вимірювань концентрацій іонів в різних клітинах тварин, що відносяться до різних видів, дають, зрозуміло і різні значення цих концентрацій, але загальним для всіх клітин, у всіх видів тварин є одне: концентрація іонів калію завжди більше в клітці, а концентрація іонів натрію і хлору - в позаклітинній рідині.
Концентрація деяких іонів в м'язових клітинах теплокровних в ммоль / л
Натрій Калій Хлор Аніони
У клітці 12 155 4 155
Поза клітини 145 4 120 немає
Ця різниця концентрацій або концентраційний градієнт є рушійною силою для дифузії розчинених іонів в область меншої концентрації або, відповідно до другого закону термодинаміки, - до меншого енергетичного рівня. Ще раз глянувши на представлені в таблицях цифри, можна безпомилково передбачити, що катіони натрію повинні дифундувати в клітку, а катіони калію - з неї.
Однак не все так просто, оскільки треба врахувати і проникність клітинної мембрани для різних іонів, а вона змінюється в залежності від стану активності клітини. У спокої у плазматичноїмембрани відкриті лише іонні канали для калію, через які не можуть проходити інші іони. Чи означає це, що через мембрану спочиває клітини іони калію можуть виходити безперешкодно?
Виходячи з клітки, катіони калію зменшують в ній кількість позитивних зарядів і одночасно збільшують їх кількість на зовнішній поверхні мембрани. Залишаються в клітці органічні аніони починають обмежувати подальший вихід катіонів калію, оскільки між аніонами внутрішньої поверхні мембрани і катіонами її зовнішньої поверхні виникає електричне поле і з'являється електростатичне тяжіння. Сама ж клітинна мембрана виявляється поляризованої: на зовнішньої її поверхні групуються позитивні заряди, на внутрішній - негативні.
Таким чином, якщо мембрана готова пропустити будь-які іони, то напрямок іонного струму визначатимуть дві обставини: концентраційний градієнт і дію електричного поля, причому концентраційний градієнт може направляти іони в одному напрямку, а електричне поле - в іншому. Коли ці дві сили врівноважуються, потік іонів практично припиняється, оскільки кількість вхідних в клітку іонів стає рівною кількості виходять. Цей стан називається рівноважним потенціалом (Е), а його значення можна обчислити за допомогою рівняння Нернста (Nernst W. 1888):
Е калію = ¾¾ ln ¾¾,
де R - газова постійна, Т - абсолютна температура (310 при температурі тіла), z - валентність іона (для калію = 1), F - константа Фарадея, [K] a - концентрація іонів калію поза клітини, [K] i - концентрація іонів калію в клітці.
Якщо підставити в рівняння значення констант і концентрацію іонів, то рівноважний потенціал мембрани аксона кальмара для іонів калію виявиться рівним - 75 мВ (для м'язової мембрани теплокровних - -97 мВ). Це означає, що при такій трансмембранної різниці потенціалів і при таких значеннях внутрішньо- і позаклітинної концентрації іонів калію їх ток з клітки стає рівним току в клітку. Якщо трансмембранная різниця потенціалів зробиться менше, то іони калію стануть виходити з клітки до тих пір, поки не відновиться значення рівноважного потенціалу.
У знаходяться в стані спокою клітин глії мембрана пропускає тільки іони калію, тому реальна трансмембранная різниця потенціалів у них збігається з розрахунковою, тобто зі значенням рівноважного потенціалу для калію - 75 мВ. Але у більшості нейронів інша справа, оскільки їх мембрана в спокої пропускає не тільки іони калію, але в невеликій кількості і іони натрію і хлору. У зв'язку з цим трансмембранная різниця потенціалів виявиться трохи менше, ніж рівноважний калієвий потенціал, але незначно, тому що проникність для іонів калію в спокої набагато вище, ніж для іонів натрію і хлору.
Користуючись рівнянням Нернста неважко знайти значення рівноважних потенціалів для будь-яких іонів (для натрію і хлору вони наводяться в таблиці 1). Рівноважний потенціал для натрію дорівнює + 55 мВ, а його концентрація в позаклітинній середовищі набагато більше, ніж в клітці; і те, і інше спонукає іони натрію входити в клітку. Але в стані спокою клітинна мембрана не дає їм такої можливості: її проникність для іонів натрію вкрай мала.
Дифузія іонів повинна зменшувати концентраційний градієнт, але концентраційне рівновагу означало б для клітини загибель. Не випадково вона більше 1/3 своїх енергетичних ресурсів витрачає на підтримку градієнтів, на збереження іонної асиметрії. Перенесення іонів через клітинну мембрану проти концентраційних градієнтів є активним, тобто енерговитратним видом транспорту, його забезпечує натрій-калієвий насос.
Це великий інтегральний білок клітинної мембрани, який безперервно виносить з клітки іони натрію і одночасно закачує в неї іони калію. Цей білок має властивості АТФ-ази, ферменту, що розщеплює АТФ на внутрішній поверхні мембрани, там же білок приєднує три іона натрію. Звільнена у розщепленні молекули АТФ енергія використовується для фосфорилювання певних ділянок білка-насоса, після якого змінюється конформація білка і він виносить три іона натрію з клітини, але одночасно забирає зовні і вносить в клітку два іона калію (Рис. 4.1).
Таким чином, за один цикл роботи насоса виносяться з клітини три іона натрію, вносяться в неї два іона калію, а на цю роботу витрачається енергія однієї молекули АТФ. Саме так підтримується висока концентрація калію в клітці, а натрію - у позаклітинному просторі. Якщо врахувати, що і натрій, і калій є катіонами, тобто несуть позитивні заряди, то сумарним підсумком одного циклу роботи насоса для розподілу електричних зарядів є видалення одного позитивного заряду з клітки. В результаті такої діяльності мембрана стає трохи більш негативною зсередини і тому натрій-калієвий насос можна вважати Електрогене.
За 1 секунду насос здатний винести з клітки близько 200 іонів натрію і одночасно перенести в клітку приблизно 130 іонів калію, а на одному квадратному мікрометрі мембранної поверхні може розміститися 100 200 таких насосів. Крім натрію і калію насос переносить в клітку проти концентраційних градієнтів глюкозу і амінокислоти; цей, як би попутний транспорт, отримав назву: симпорт. Продуктивність натрій-калієвого насоса залежить від концентрації в клітці іонів натрію: чим більше вона, тим швидше працює насос. Якщо ж концентрація іонів натрію в клітині знизиться, то і насос зменшить свою діяльність.
Поряд з натрій-калієвих насосом в клітинній мембрані існують спеціальні насоси для іонів кальцію. Вони теж використовують енергію АТФ для винесення іонів кальцію з клітини, в результаті створюється значний концентраційний градієнт кальцію: поза клітиною його значно більше, ніж в клітці. Це змушує іони кальцію постійно прагнути увійти в клітку, але в стані спокою клітинна мембрана ці іони майже не пропускає. Однак часом мембрана розкриває канали для цих іонів і тоді вони грають дуже важливу роль в звільненнімедіаторів або в активації деяких ферментів.
Таким чином, активний транспорт створює концентраційні та електричні градієнти, які грають визначну роль в усьому житті клітини.