Том 1 (1112429), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Однако, поскольку противоположные заряды притягиваются, возникает электрическая сила, под действием которой Кк стремится внутрь клетки вслед за ионами С1-. Работа А„затрачиваемая на преодоление этой (электрической) силы, описывается простым уравнением П. Клеточные механизмы б. МембРанный потенциал Тоикзл' ствкллиизп Коппи рзстзорз злзктролитв Элвктроииа асиилпатр Копчик иикрапилзтк Микропилзткз = — 75 мВ Это уравнение было впервые получено Нернстом, и поэтому носит название уравнения Нернсча. Š— это так называемый потенциал Нернста, или диффузионный потенциал. Для аксона кальмара лрн комнатной температуре (18'С) константа 2,3 ЕТ(р 58; подставляя значения концентраций Кс во внутренней и наружной среде, получаем Е =581д 1~ 1'"' В !ц+1~п = 58 1д — мВ й00 Если при изучении нейробиологни вам удастся запомнить хотя бы одно уравнение, то пусть это будет уравнение Нернста! Оно имеет первостепенное значение для понимания электрических процессов в любых клетках, и в том числе в нейронах.
Для каждого отдельно взятого иона Š— это тот потенциал, при котором поток данного иона через мембрану прекращается; в связи с этим Е называется равновесным потенциалом для того или иного иона. Иными словами, это тот потенциал, который создается на мембране вследствие диффузии того иона, для которого она проницаема. Поскольку этот потенциал формируется на оболочках живых клеток, он называется мембранным потенциалом. Прн изучении различных видов электрической активности, характерной для синаптических процессов и нервных импульсов, мы убедимся в том, что все они представляют собой изменения мембранного потенциала.
Мембранный потенциал Английский астроном сэр Артур Эддингтон сказал как-то: «Пока астрономические наблюдения не подтверждаются теорией, верить им нельзя». Этот афоризм в значительной степени отражает и положение дел в биологии: мы начинаем верить нашим результатам лишь тогда, когда мы можем удовлетворительно описать их теоретически. Именно поэтому мы начали с рассмотрения некоторых теоретических основ возникновения мембранных потенциалов. Теперь, когда мы знаем, почему такие потенциалы могут возникать, мы можем перейти к эксперименту, который покажет нам, каков же мембранный потенциал в действительности и согласуется ли он с нашей теорией.
Целью эксперимента является измерение трансмембранного электрического потенциала в нерве. Объектом исследования будет служить гигантский аксаи кальмара. При любых измерениях электрических процессов регистрируют - разность между 1 мкм Аксаи кзлииврв Рис 6.0. Внутриклеточные микроэлектроды, используемые для регистрации, раздражеиия и микроинъекций. Справа приведена схема установки для записи активности аксона кальмара; потенциалы выводятся на экран электронно-лучевото осциллографа (ЗЛО). зарядами у двух электродов.
В нашем опыте один такой электрод помещают внутрь аксона кальмара, а второй — в окружающую среду. Большой диаметр аксона (до 1 мм) позволяет вводить в него электрод (тонкую проволочку) через перерезанный конец. Однако нервные клетки обычно значительно меньше и поэтому для введения внутрь клетки используют специальные микроэлектроды. При изготовлении внучриклеточного микроэлекгрода отрезок стеклянной трубочки (капилляра) нагревают посередине и быстро растягивают; капилляр разрывается, и образуются очень тонкие полые кончики. Таким способом получают так называемые микропипечки. Впервые микропипетки стали использовать, примерно в 1950 г.; тогда их вытягивали вручную над пламенем бунзеновской горелки.
Для этого нужны были твердая рука и верный глаз! В настоящее время существуют специальные приборы — «микрокузницы», изготовляющие микропипетки автоматически. Готовую микропипетку помещают широким концом в раствор электролита. Если в такой пипетке имеется тонкий стеклянный волосок, то раствор под действием капиллярных сил заполнит пипетку до кончика (рис.
6.5). При этом мнкропипетка преврашается в микроэлектрод. Такой микроэлектрод вводят в нервное волокно, и раствор электролита играет роль проводника между аксоплазмой в области кончика электрода и проволокой, введенной в его широкий ко- 1ЗВ !!. Клеточные меланизмы б. ут(еибраниый потенциал Проникновение микроелектроае в клетку 1к1. -оомна1. 14О и сев 10 о Г20 мМ К+ ма О с й — 20 — 40 и с $ -ВО й к -100 о. Ц -Г20 -40 -ВО -г2 Концентрнцнн калин, мы Рис.
б.б. А. Завттсимосгь мембраииого потенциала покоя от коицеиграции К+ во виеклеточиой жидкости, П. Экспериментальная (результаты каблктдеиий — светлые кружки) и теоретическая кривые зависимости мембраииого потенциала ог коицеиграции К+ во вкеклегочиой среде. (Нобяй)п, Ногорт(1г, 1971.) нец. Эту проволоку соединяют с соответствующим электронным усилителем н регистрирующим устройством.
Для регистрации лучше всего использовать электронно-лучевой осциллограф. Основная деталь этого прибора — электронно-лучевая трубка— устроена по тому же принципу, что н телевизионная трубка; однако в трубке осциллографа вдоль экрана пробегает лишь один луч. Электрические потенциалы можно регнстрнроватьпрн различных значениях скорости развертки луча н чувствнтельности приборов (рнс. 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 микро- электрода 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 мнкроэлектрода проник в среду, заряженную отрицательно по отношению к внеклеточной среде (на рнс. 6.6А указано стрелкой). Прн правильном введении мнкроэлектрода мембрана охватывает его кончик н, если никто в темноте не зацепится за провод нлн не хлопнет дверью (!), регистрируемый мембранный потенциал будет удерживаться на постоянном уровне в течение многих минут нлн даже часов.
Постоянный отрицательный потенциал, регистрируемый в таком опыте, называется мембранным потенциалом покоя, Считается, что он возникает на мембране. В тнпнчном случае величина мембранного потенциала покоя находится в пределах от — 60 до — 70 мВ. Явление, о котором идет речь, когда на внутренней стороне мембраны заряд отрицателен, называют поляризацией.
Уменьшение степени поляризация (смещенне мембранного потенциала к О) называется деаоляризаг(ией, а увеличение — гиперполяразацигй. Значение подобных измененнй мембранного потенциала мы рассмотрим позже. Мембранный потенциал покоя близок к равновесному потенцналу для К4, описываемому уравнением Нернста. Это подтверждает правильность наших представлений о природе мембранного потенциала; однако для дальнейшей проверки нашей теории необходимо исследовать влияние концентрации [К'1.,1 (т.
е. концентрации ионов К+ в омывающем аксон растворе) на величину мембранного потенциала. Результаты подобного опыта приведены на рнс. 6.6А. Прн увеличении [Кр),„ь т. е. снижении концентрационного градиента Кв по обе стороны мембраны, мембранный потенциал уменьшается; ннымн словами, мембрана деполярнзуется. На рнс. 6.6Б приведена кривая, построенная в,подобных экспериментах, в сопоставления с теоретической кривой, вытекающей нз уравнения Нернста. Видно, что экспериментальная кривая хорошо соответствует теоретической прн высоких концентрациях калия, однако отклоняется от нее прн низких концентрациях (т.
е. прн условиях, соответствующих естественным). Такое расхождение между экспериментальной н теоретнческой кривыми может свидетельствовать о том, что в норме мембранный потенцнал создается не только калием, но н другнмн ионами. Действительно, прн рассмотрении равновесия Доннана мы предположили, что мембрана в какой-то мере проннцаема для С! н )ц)аз. Можно рассчитать равновесные потенциалы для каждого нз этих ионов. Так, для натрия этот потенциал составляет [Ыа+)оо, Е„, =58(ц =581д 460 бб =+55 мВ (6.5) Таким образом, равновесный потенциал для Чар имеет знак, противоположный равновесному потенциалу для К+. Это соответствует противоположному направлению концентрационных градиентов этих ионов (рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
