Мембранный потенциал (потенциал покоя)

Мембранный потенциал — это разность электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны. В состоянии покоя внутренняя сторона клетки заряжена отрицательно относительно наружной; эту стабильную разность называют потенциалом покоя.

Мембранный потенциал есть у всех живых клеток, но особенно важен для возбудимых — нервных, мышечных и некоторых железистых. Именно на его кратковременных изменениях основаны нервный импульс, сокращение мышц и сердца, выделение гормонов. Потенциал покоя — исходный уровень, от которого отсчитываются все эти изменения.

📊 Величина потенциала покоя

Потенциал измеряют в милливольтах и записывают со знаком минус, отражающим отрицательный заряд внутри клетки. Мембрана работает как маленькая батарейка: напряжение невелико, но мембрана так тонка, что электрическое поле в ней очень сильное.

Ориентировочные значения потенциала покоя

Точные значения зависят от типа клетки и метода измерения. Классические опыты по изучению потенциалов выполнены на гигантском нервном волокне кальмара с помощью тончайших электродов, введённых внутрь клетки.

⚙️ Как возникает потенциал покоя

Основу создаёт разница концентраций ионов. Внутри клетки много калия, снаружи — натрия и хлора. Эту разницу непрерывно поддерживает натрий-калиевый насос, который выкачивает натрий и закачивает калий за счёт энергии АТФ.

В покое мембрана гораздо лучше проницаема для калия, чем для натрия: в ней постоянно открыты так называемые калиевые каналы утечки. Калий по градиенту концентрации выходит из клетки и уносит с собой положительный заряд, а крупные отрицательно заряженные белки и фосфаты остаются внутри. Так внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно.

Выход калия продолжается, пока растущий отрицательный заряд внутри не начнёт удерживать его так же сильно, как разница концентраций выталкивает. Это равновесие описывается уравнением Нернста. Небольшая утечка натрия внутрь делает реальный потенциал покоя чуть менее отрицательным, чем равновесный потенциал для калия. Сам насос добавляет к заряду лишь несколько милливольт, но без него градиенты постепенно исчезли бы.

⚡ Изменения мембранного потенциала

• Деполяризация — уменьшение отрицательного заряда внутри клетки. Она повышает возбудимость.
• Гиперполяризация — увеличение отрицательного заряда. Она затрудняет возбуждение и служит основой торможения.
• Реполяризация — возврат заряда к уровню покоя после возбуждения.

Если деполяризация достигает порогового уровня, открываются натриевые каналы, натрий устремляется внутрь, и заряд на доли секунды меняет знак. Так возникает потенциал действия, который распространяется вдоль волокна. Затем открываются калиевые каналы, и мембрана возвращается к потенциалу покоя. В нейронах небольшие сдвиги потенциала от множества синапсов суммируются и решают, возникнет ли импульс.

У некоторых клеток устойчивого потенциала покоя нет: клетки водителя ритма сердца медленно самопроизвольно деполяризуются, пока не достигнут порога, и благодаря этому сердце сокращается ритмично без внешних команд.

⚠️ Когда потенциал покоя нарушается

🧂 Нарушения уровня калия

Поскольку потенциал покоя определяется главным образом калием, его уровень в крови напрямую влияет на возбудимость. При повышении калия разница концентраций уменьшается, мембрана деполяризуется, и после кратковременного повышения возбудимости натриевые каналы инактивируются, клетки хуже проводят импульсы. При снижении калия меняется возбудимость и проведение в клетках сердца и мышц. В обоих случаях возможны мышечная слабость и опасные нарушения ритма сердца.

🫀 Нехватка энергии и поломки каналов

При нехватке кислорода — инфаркте, инсульте, остановке кровообращения — выработка АТФ падает, насос останавливается, градиенты ионов исчезают, клетки деполяризуются и набухают. Наследственные поломки ионных каналов, или каналопатии, нарушают потенциал и возбудимость и лежат в основе некоторых нарушений ритма сердца, видов эпилепсии и мышечных болезней.

На изменении мембранного потенциала основано действие многих лекарств: местные анестетики и часть противоэпилептических и противоаритмических средств блокируют натриевые каналы и не дают возникнуть импульсу. Группы препаратов упомянуты в ознакомительных целях.