Роль активного транспорта ионов в формировании мембранного потенциала

Одним из преимуществ «идеальной» мембраны, пропускающей какой-либо один ион, является поддержание сколь угодно долго мембранного потенциала без затрат энергии при условии, если проникающий ион исходно распределен неравномерно по обе стороны мембраны. Вместе с тем мембрана живых клеток прони­цаема в той или иной степени для всех неорганических ионов, на­ходящихся в окружающем клетку растворе. Поэтому клетки долж-

ны как-то поддерживать внутриклеточную концентрацию ионов на определенном уровне. Достаточно показательны в этом отно­шении ионы натрия, на примере проницаемости которых в пре­дыдущем разделе разбиралось отклонение мембранного потенци­ала мышцы от равновесного калиевого потенциала. Согласно из­меренным концентрациям ионов натрия снаружи и внутри мы­шечной клетки равновесный потенциал, рассчитанный по уравнению Нернста для этих ионов, будет около 60 мВ, причем со знаком «плюс» внутри клетки. Мембранный потенциал, рассчи­танный по уравнению Голдмана и измеренный с помощью микро­электродов, равен 90 мВ со знаком «минус» внутри клетки. Таким образом, отклонение его от равновесного потенциала для ионов натрия будет 150 мВ. Под действием такого высокого потенциала даже при низкой проницаемости ионы натрия будут входить через мембрану и накапливаться внутри клетки, что соответственно бу­дет сопровождаться выходом ионов калия из нее. В результате это­го процесса внутри- и внеклеточные концентрации ионов через некоторое время выравняются.

На самом же деле в живой клетке этого не происходит, поскольку постоянно осуществляется удаление ионов натрия из клетки с помощью так называемого ионного насоса. Пред­положение о существовании ионного насоса было выдвинуто Р. Дином в 40-е годы XX в. и явилось чрезвычайно важным дополнением к мембранной теории формирования потенциала покоя в живых клетках. Экспериментально показано, что ак­тивное «выкачивание» Na⁺ из клетки идет с обязательным «за­качиванием» ионов калия внутрь клетки (рис. 2.8). Поскольку проницаемость мембраны для ионов натрия мала, то их вход из наружной среды в клетку будет происходить медленно, поэтому

Внеклеточная среда +. Высокая проницаемость К + ₁

Низкая концентрация К⁺ Высокая концентрация Na⁺₊

насос эффективно будет поддерживать низкую концентрацию ионов натрия в клетке. Проницаемость мембраны для ионов ка­лия в покое достаточно высокая, и они легко диффундируют через мембрану.

На поддержание высокой концентрации ионов калия не надо тратить энергии, она сохраняется благодаря возникаю­щей трансмембранной разности потенциалов, механизмы воз­никновения которой подробно изложены в предыдущих раз­делах. Перенос ионов насосом требует затрат метаболической энергии клетки. Источником энергии этого процесса является энергия, запасенная в макроэргических связях молекул АТФ. Энергия освобождается за счет гидролиза АТФ с помощью фер­мента аденозинтрифосфатазы. Полагают, что этот же фермент непосредственно осуществляет и перенос ионов. В соответст­вии со строением клеточной мембраны АТФаза является од­ним из интегральных белков, встроенных в липидный бислой. Особенностью фермента-переносчика является его высокое срод­ство на внешней поверхности к ионам калия, а на внутрен­ней — к ионам натрия. Действие ингибиторов окислительных процессов (цианидов или азидов) на клетку, охлаждение клетки блокирует гидролиз АТФ, а также и активный перенос ионов натрия и калия. Ионы натрия постепенно поступают в клетку, а ионы калия выходят из нее, и по мере снижения отношения [К⁺]о/[К⁺],- потенциал покоя будет медленно снижаться до нуля. Мы обсуждали ситуацию, когда ионный насос выводит из внут­риклеточной среды один положительно заряженный ион на­трия и соответственно переносит из внеклеточного простран­ства один положительно заряженный ион калия (соотношение 1: 1). В этом случае говорят, что ионный насос является элект­ронейтральным.

Вместе с тем экспериментально было обнаружено,что в некото­рых нервных клетках ионный насос за один и тот же промежуток времени больше удаляет ионов натрия, чем закачивает ионов ка­лия (соотношение может быть 3:2). В таких случаях ионный на­сос является электрогенным, т. е. он сам создает небольшой, но по­стоянный суммарный ток положительных зарядов из клетки и до­полнительно способствует созданию отрицательного потенциала внутри нее. Отметим, что создаваемый с помощью электрогенного насоса в покоящейся клетке дополнительный потенциал не пре­вышает нескольких милливольт.

Подытожим сведения о механизмах формирования мемб­ранного потенциала — потенциала покоя в клетке. Основной про­цесс, за счет которого создается большая часть потенциала с от­рицательным знаком на внутренней поверхности клеточной мембраны, — это возникновение электрического потенциала, за­держивающего пассивный выход ионов калия из клетки по сво­ему концентрационному градиенту через калиевые каналы — ин-

тегральные белки. Другие ионы (например, ионы натрия) участ­вуют в создании потенциала лишь в небольшой степени, посколь­ку проницаемость мембраны для них значительно ниже, чем для ионов калия, т. е. число открытых каналов для этих ионов в состо­янии покоя невелико. Чрезвычайно важным условием для поддер­жания потенциала покоя является наличие в клетке (в клеточной мембране) ионного насоса (интегрального белка), который обес­печивает концентрацию ионов натрия внутри клетки на низком уровне и тем самым создает предпосылки, чтобы главными потен-циалобразующими внутриклеточными ионами стали ионы калия. Небольшой вклад в потенциал покоя может вносить непосредст­венно и сам ионный насос, но при условии, что его работа в клет­ке электрогенна.