"Мембранний потенціал"

Виконала Четверікова Р

Студентка 1 курсу

біолого-ґрунтового факультету

Вступ

Трішки історії

Електрика у клітці

Мембранний потенціал

Потенціал дії

Поріг роздратування

Характерні властивості потенціалу дії

Висновок

Вступ

Сучасна наука розвивається стрімко, і що більше ми рухаємося шляхом прогресу, то більше переконуємося у цьому, що з вирішення будь-яких наукових завдань необхідно поєднувати зусилля і досягнення відразу кількох галузей науки.

Раніше панувала концепція віталізму, за якими біологічні явища принципово незбагненні на основі фізики та хімії, оскільки існує якась «життєва сила», або ентелехія, що не підлягають фізичному тлумаченню. У 20 столітті великий фізик Бор розглядав проблему взаємовідносини біології та фізики на основі концепції додатковості, окремим випадком якої є принцип невизначеності квантової механіки.

Бор вважав, що жоден результат біологічного дослідження може бути однозначно описаний інакше як основі понять фізики і хімії. Розвиток молекулярної біології призвело до атомістичного тлумачення основних явищ життя - таких як спадковість та мінливість. Останні десятиліття успішно розвивається і фізична теорія цілісних біологічних систем, заснована на ідеях синергетики. Ервін Шредінгер дійшов оптимістичного, хоч і не цілком заспокійливого висновку: «Хоча сучасні фізика та хімія не можуть пояснити процеси, що відбуваються в живому організмі, немає жодних підстав сумніватися у можливості їхнього наукового пояснення». Сьогодні є підстави стверджувати, що сучасна фізика не зустрічається з межами своєї застосовності до розгляду біологічних явищ. Важко думати, що такі межі виявляться у майбутньому.

Навпаки, розвиток біофізики як частини сучасної фізики свідчить про її необмежені можливості.

У цьому прикладі можна наочно простежити, як досягнення фізики допомогли вченим зрозуміти таке складне явище.

Трішки історії

Електрику в живих організмів людина виявив ще в давнину. Точніше, відчув, не підозрюючи при цьому про його існування. Цього поняття тоді не існувало. Наприклад, стародавні греки остерігалися зустрічатися у воді з рибою, яка, як писав великий вчений Аристотель, "примушує чіплятись тварин". Риба, що наводила страх на людей, була електричним схилом і носила ім'я "торпедо". І лише двісті років тому вчені нарешті зрозуміли природу цього явища.

Вчені давно хотіли зрозуміти, якою ж є природа сигналів, що перетікають по нервах. Серед безлічі теорій виникали в середині XVIII століття, під впливом загальної захопленості електрикою, з'явилася теорія про те, що по нервах передається "електричний флюїд".

Ідея літала у повітрі. Луїджі Гальвані, вивчаючи грозові розряди, використовував нервово-м'язовий препарат жаби. Підвівши його на мідному гачку на огорожі балкона, Гальвані помітив, що коли лапки жаби стосувалися залізної огорожі, відбувалося м'язове скорочення. З цього Гальвані робить висновок, що у біологічному об'єкті існує електричний сигнал. Однак, сучасник Гальвані - Алессандро Вольта виключив біологічний об'єкт і показав, що струм може бути отриманий при контакті набору металів, розділених електролітом (вольтів стовп). Так було відкрито хімічне джерело струму (назване, однак, пізніше, на честь його наукового супротивника гальванічним елементом).

Ця суперечка була початком електробіології. І ось через півстоліття німецький фізіолог Е. Дюбуа-Реймон підтвердив відкриття Гальвані, продемонструвавши наявність електричних полів у нервах за допомогою вдосконаленої електровимірювальної апаратури. Відповідь на питання, як утворюється електрика в клітці, було знайдено ще через півстоліття.

Електрика у клітці

У 1890 Вільгельм Оствальд, який займався напівпроникними штучними плівками припустив, що напівпроникність може бути причиною не тільки осмосу, але і електричних явищ. Осмос виникає тоді, коли мембрана вибірково проникна, тобто. пропускає одні частинки та не пропускає інші. Найчастіше проникаємо мембрани залежить від розміру частинки. Такими частинками можуть бути і іони. Тоді мембрана пропускатиме іони лише одного знака, наприклад, позитивного. Дійсно, якщо подивитися на формулу Нернста для дифузійного потенціалу Vд, що виникає на межі двох розчинів з концентраціями електроліту С1 та С2:

де u - швидкість швидшого іона, v - швидкість повільнішого іона, R - універсальна газова постійна, F - число Фарадея, T - температура, і припустити, що мембрана для аніонів не проникна, тобто v = 0, то можна бачити, що повинні з'являтися великі значення для Vд

(2)

Потенціал на мембрані, що розділяє два розчини

Таким чином, Оствальд об'єднав формулу Нернста та знання про напівпроникні мембрани. Він припустив, що властивостями такої мембрани пояснюються потенціали м'язів та нервів та дія електричних органів риб.

Мембранний потенціал (потенціал спокою)

Під мембранним потенціалом розуміють різницю потенціалів між внутрішньою (цитоплазматичною) та зовнішньою поверхнями мембрани.

З допомогою електрофізіологічних досліджень було підтверджено, що у стані фізіологічного спокою, на зовнішній поверхні мембрани є позитивний заряд, але в внутрішній поверхні - негативний.

Юліус Бернштейн створив теорію, згідно з якою різноіменність зарядів визначається різною концентрацією іонів натрію, калію, хлору всередині та за межами клітини. Усередині клітини в 30-50 разів вище концентрація іонів калію, в 8-10 разів нижче концентрація іонів натрію і в 50 разів менше іонів хлору. Відповідно до законів фізики, якби жива система не регулювалася, то концентрація цих іонів зрівнялася б з обох боків мембрани та мембранний потенціал би зникав. Але цього немає, т.к. мембрана клітини – це активна транспортна система. У мембрані є спеціальні канали для того чи іншого іону, кожен канал специфічний і транспорт іонів усередині та за межі клітини є значною мірою активним. У стані відносного фізіологічного спокою натрієві канали закриті, а калієві та хлорні – відкриті. Це призводить до того, що калій виходить із клітини, а хлор заходить у клітину, внаслідок цього збільшується кількість позитивних зарядів на поверхні клітини та зменшується кількість зарядів усередині клітини. Таким чином, на поверхні клітини зберігається позитивний заряд, а всередині негативний. Такий розподіл електронних набоїв забезпечує збереження мембранного потенціалу.

молекулярний біологія мембрана потенціал

Потенціал дії

Це призводить до того, що на внутрішній поверхні мембрани накопичуються позитивні заряди, а на зовнішній – негативні заряди. Такий перерозподіл зарядів називається деполяризацією.

У цьому вся стані клітинна мембрана існує недовго (0,1-5 м.с.). А, щоб клітина знову стала здатною до збудженню, її мембрана має реполяризуватися, тобто. повернутися до стану потенціалу спокою. Для повернення клітини до мембранного потенціалу необхідно «відкачати» катіони натрію та калію проти градієнта концентрації. Таку роботу виконує натрієво-гарячий насос, який відновлює вихідний стан концентрації катіонів натрію та калію, тобто. відновлюється мембранний потенціал.

Поріг роздратування

Для виникнення деполяризації та подальшого збудження подразник повинен мати певну величину. Мінімальна сила подразника, що діє, здатного викликати збудження, називається порогом подразнення. Величина вище порогової називається надпорогової, а нижче порогової - підпорогової. Збудливі освіти підпорядковуються закону «все чи нічого», це означає, що з роздратування за силою, рівної порогової, виникає максимальне збудження. Роздратування нижче підпорогової сили не викликає роздратування.

Для характеристики сили подразника, що діє, від часу його дії, виводять криву, яка відображає, скільки часу повинен діяти пороговий або надпороговий подразник, щоб викликати збудження. Дія подразника порогової сили викликає порушення тільки в тому випадку, якщо даний подразник діятиме певний час. Мінімальна сила струму або збудження, які повинні діяти на збудливі утвори, щоб викликати роздратування називається реобазою. Мінімальний час, протягом якого повинен діяти подразник силою однієї реобази, щоб викликати збудження називається мінімальним корисним часом.

Величина порога роздратування залежить як від тривалості діючого стимулу, а й від крутості наростання. При зменшенні крутості наростання подразника нижче певної величини, порушення не виникає, до якої сили ми не довели подразник. Це відбувається тому, що в місці нанесення подразника постійно підвищується поріг, і до якої величини не довели подразник, порушення не виникає. Таке явище-пристосування збудливої ​​освіти до повільно наростаючої сили подразника називається акомодацією.

Різні збудливі утворення мають різну швидкість акомодації, тому що вища швидкість акомодації, то крутизна наростання подразника вище.

Цей закон працює не тільки для електростимуляторів, але і для інших (хімічних, механічних подразників/стимуляторів).

Характерні властивості потенціалу дії

Полярний закон роздратування.

Цей закон вперше було відкрито П.Ф. Флюгер. Він встановив, що постійний струм має полярну дію на збудливу тканину. Це виявляється у тому, що у момент замикання ланцюга, порушення виникає лише під катодом, а момент розмикання - під анодом. Причому під анодом, при розмиканні ланцюга збудження значно вище, ніж при замиканні під катодом. Це пов'язано з тим, що позитивно заряджений електрод (анод) викликає гіперполяризацію мембрани, коли поверхні стосуються катода(негативно зарядженого), він викликає деполяризацію.

Закон «все, чи нічого»

Відповідно до цього закону, подразник підпорогової сили не викликає порушення (нічого); при пороговому подразненні, збудження набуває максимальної величини (все). Подальше збільшення сили подразника не посилює збудження.

Довгий час вважали, що цей закон є загальним принципом збудливої ​​тканини. У цьому вважали, що «нічого» - це відсутність збудження, а «все», - це прояв прояви збудливого освіти, тобто. його здатність до збудження.

Однак, за допомогою мікроелектронних досліджень було доведено, що навіть при дії подпорогового подразника у збудливому утворенні відбувається перерозподіл іонів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани. Якщо за допомогою фармакологічного препарату підвищити проникність мембрани для іонів натрію або знизити проникність іонів калію, то амплітуда потенціалів дії підвищується. Таким чином, можна зробити висновок, що цей закон повинен розглядатися лише, як правило, що характеризує особливості збудливої ​​освіти.

Проведення збудження. Збудливість.

У демієлінізованих та мієлінезованих волокнах збудження передається по-різному, це обумовлено анатомічними особливостями даних волокон. Мієлінізовані нервові волокна мають перехоплення Ранв'є. Передача сигналів через такі волокна здійснюється за допомогою перехоплень Ранв'є. Сигнал проскакує через мієлінізовані ділянки, і тим самим, проведення збудження по них відбувається швидше, ніж у неміелінізованих ділянках, повернення імпульсу назад неможливе, оскільки в попередньому перехопленні підвищується поріг подразнень.

Збудливість - це здатність такні на роздратування або збудження і, отже, виникнення потенціалу дії. Чим поріг роздратування вищий, тим збудження вище, і навпаки.

Величина порога роздратування знаходиться у зворотній залежності від тривалості (t) дії стимулу та крутості наростання його сили

Таким чином, бачимо, що без допомоги фізики не вдалося б відкрити таємницю електрики в живих організмах, передачі нервових імпульсів, мембранний потенціал - одні з найважливіших аспектів сучасної біології.

»: Потенціал спокою – це важливе явище у житті всіх клітин організму, і важливо знати, як він формується. Однак це складний динамічний процес, важкий для сприйняття цілком, особливо для студентів молодших курсів (біологічних, медичних та психологічних спеціальностей) та непідготовлених читачів. Втім, при розгляді пунктів, цілком можливо зрозуміти його основні деталі та етапи. У роботі вводиться поняття потенціалу спокою та виділяються основні етапи його формування з використанням образних метафор, що допомагають зрозуміти та запам'ятати молекулярні механізми формування потенціалу спокою.

Мембранні транспортні структури - натрій-калієві насоси - створюють передумови виникнення потенціалу спокою. Причини ці - різниця в концентрації іонів на внутрішній та зовнішній сторонах клітинної мембрани. Окремо проявляє себе різниця концентрації по натрію та різниця концентрації по калію. Спроба іонів калію (K+) вирівняти свою концентрацію по обидва боки мембрани призводить до його витоку з клітини та втрати разом із ними позитивних електричних зарядів, рахунок чого значно посилюється загальний негативний заряд внутрішньої поверхні клітини. Ця «калієва» негативність становить більшу частину потенціалу спокою (-60 мВ у середньому), а меншу його частину (-10 мВ) становить «обмінна» негативність, спричинена електрогенністю самого іонного насоса-обмінника.

Давайте розбиратися докладніше.

Навіщо нам потрібно знати, що таке потенціал спокою та як він виникає?

Ви знаєте, що таке «тваринна електрика»? Звідки в організмі беруться "біоструми"? Як жива клітина, що у водному середовищі, може перетворитися на «електричну батарейку» і чому вона моментально не розряджається?

На ці питання можна відповісти лише в тому випадку, якщо дізнатися, як клітина створює собі різницю електричних потенціалів (потенціал спокою) на мембрані.

Цілком очевидно, що для розуміння того, як працює нервова система, необхідно спочатку розібратися, як працює її окрема нервова клітина – нейрон. Головне, що лежить в основі роботи нейрона – це переміщення електричних зарядів через його мембрану та поява внаслідок цього на мембрані електричних потенціалів. Можна сказати, що нейрон, готуючись до своєї нервової роботи, спочатку запасає енергію в електричній формі, а потім використовує її в процесі проведення та передачі нервового збудження.

Таким чином, наш перший крок до вивчення роботи нервової системи – це зрозуміти, яким чином з'являється електричний потенціал на мембрані нервових клітин. Цим ми і займемося, і назвемо цей процес формуванням потенціалу спокою.

Визначення поняття «потенціал спокою»

У нормі, коли нервова клітина перебуває у фізіологічному спокої готова до роботи, вона вже відбулося перерозподіл електричних зарядів між внутрішньої і зовнішньої сторонами мембрани. За рахунок цього виникло електричне поле, і на мембрані з'явився електричний потенціал. мембранний потенціал спокою.

Таким чином, мембрана виявляється поляризованою. Це означає, що вона має різний електричний потенціал зовнішньої та внутрішньої поверхонь. Різницю між цими потенціалами цілком можливо зареєструвати.

У цьому можна переконатися, якщо ввести всередину клітини мікроелектрод, з'єднаний з установкою, що реєструє. Як тільки електрод потрапляє всередину клітини, він миттєво набуває деякого постійного електронегативного потенціалу по відношенню до електрода, розташованого в навколишній клітині рідини. Величина внутрішньоклітинного електричного потенціалу у нервових клітин та волокон, наприклад, гігантських нервових волокон кальмара, у спокої становить близько -70 мВ. Цю величину називають мембранним потенціалом спокою (МПП). У всіх точках аксоплазми цей потенціал майже однаковий.

Ніздрачов А.Д. та ін. Початки фізіології.

Ще трохи фізики. Макроскопічні фізичні тіла, зазвичай, електрично нейтральні, тобто. у них у рівних кількостях містяться як позитивні, і негативні заряди. Зарядити тіло можна, створивши в ньому надлишок заряджених частинок одного виду, наприклад, тертя про інше тіло, в якому при цьому утворюється надлишок зарядів протилежного виду. Враховуючи наявність елементарного заряду ( e), повний електричний заряд будь-якого тіла можна уявити як q= ±N× eде N - ціле число.

Потенціал спокою- це різниця електричних потенціалів, що є на внутрішній та зовнішній сторонах мембрани, коли клітина перебуває у стані фізіологічного спокою.Його величина вимірюється зсередини клітини, вона негативна і становить у середньому -70 мВ (мілівольт), хоча в різних клітинах може бути різною: від -35 мВ до -90 мВ.

Важливо враховувати, що у нервовій системі електричні заряди представлені не електронами, як і звичайних металевих проводах, а іонами - хімічними частинками, мають електричний заряд. І взагалі у водних розчинах як електричного струму переміщуються не електрони, а іони. Тому всі електричні струми в клітинах і навколишньому середовищі - це іонні струми.

Отже, зсередини клітина у спокої заряджена негативно, а зовні – позитивно. Це властиво всім живим клітинам, крім, хіба що, еритроцитів, які, навпаки, заряджені негативно зовні. Якщо говорити конкретніше, виходить, що зовні навколо клітини переважатимуть позитивні іони (катіони Na ​​+ і K +), а всередині - негативні іони (аніони органічних кислот, не здатні вільно переміщатися через мембрану, як Na + і K +).

Тепер нам лише залишилося пояснити, яким чином все вийшло саме так. Хоча, звичайно, неприємно усвідомлювати, що всі наші клітини, крім еритроцитів, лише зовні виглядають позитивними, а всередині вони - негативні.

Термін «негативність», який ми будемо застосовувати для характеристики електричного потенціалу всередині клітини, стане нам у нагоді для простоти пояснення змін рівня потенціалу спокою. У цьому терміні цінно те, що інтуїтивно зрозуміло наступне: чим більша негативність усередині клітини - тим нижче негативний бік від нуля зміщений потенціал, а чим менша негативність - тим ближче негативний потенціал до нуля. Це набагато простіше зрозуміти, ніж щоразу розбиратися в тому, що саме означає вираз «потенціал зростає» - зростання за абсолютним значенням (або «за модулем») означатиме зміщення потенціалу спокою вниз від нуля, а просто «зростання» - зміщення потенціалу до нуля. Термін "негативність" не створює подібних проблем неоднозначності розуміння.

Сутність формування потенціалу спокою

Спробуємо розібратися, звідки береться електричний заряд нервових клітин, хоча їх ніхто не тре, як це роблять фізики у своїх дослідах із електричними зарядами.

Тут дослідника та студента чекає одна з логічних пасток: внутрішня негативність клітини виникає не через появи зайвих негативних частинок(аніонів), а, навпаки, через втрати деякої кількості позитивних частинок(катіонів)!

То куди ж діваються з клітини позитивно заряджені частки? Нагадаю, що це іони натрію - Na + - і калію - K + , що залишили клітину і скупчені зовні.

Головний секрет появи негативності усередині клітини

Відразу відкриємо цей секрет і скажемо, що клітина позбавляється частини своїх позитивних частинок і заряджається негативно за рахунок двох процесів:

1. спочатку вона обмінює "свій" натрій на "чужий" калій (так-так, одні позитивні іони на інші, такі ж позитивні);
2. потім із неї відбувається витік цих «наміняних» позитивних іонів калію, разом із якими з клітини витікають позитивні заряди.

Ці два процеси нам і треба пояснити.

Перший етап створення внутрішньої негативності: обмін Na+ на K+

У мембрані нервової клітини постійно працюють білкові насоси-обмінники(аденозинтрифосфатази, або Na+/K+-АТФази), вбудовані в мембрану. Вони змінюють "власний" натрій клітини на зовнішній "чужий" калій.

Але ж при обміні одного позитивного заряду (Na+) на інший такий самий позитивний заряд (K+) ніякого дефіциту позитивних зарядів у клітині виникати не може! Правильно. Але, тим не менше, через цей обмін у клітині залишається дуже мало іонів натрію, тому що вони майже всі пішли назовні. І водночас клітина переповнюється іонами калію, які у неї накачали молекулярні насоси. Якби ми могли спробувати на смак цитоплазму клітини, ми б помітили, що в результаті роботи насосів-обмінників вона перетворилася з солоної на гірко-солона-кислу, тому що солоний смак хлориду натрію змінився складним смаком концентрованого розчину хлориду калію. У клітині концентрація калію сягає 0,4 моль/л. Розчини хлориду калію в межах 0,009–0,02 моль/л мають солодкий смак, 0,03–0,04 – гіркий, 0,05–0,1 – гірко-солоний, а починаючи з 0,2 і вище – складний смак , Що складається з солоного, гіркого та кислого.

Важливо тут те, що обмін натрію на калій – нерівний. За кожні віддані кліткою три іони натріювона отримує все два іони калію. Це призводить до втрати одного позитивного заряду кожного акту іонного обміну. Так що вже на цьому етапі рахунок нерівноцінного обміну клітина втрачає більше «плюсів», ніж отримує натомість. В електричному вираженні це становить приблизно -10 мВ негативності усередині клітини. (Але пам'ятайте, що нам треба ще знайти пояснення для −60 мВ, що залишилися!)

Щоб легше було запам'ятати роботу насосів-обмінників, образно можна сказати так: "Клітка любить калій!"Тому клітина і затягує калій себе, незважаючи на те, що його і так у ній повно. І тому вона невигідно обмінює його на натрій, віддаючи 3 іони натрію за 2 іони калію. І тому вона витрачає цей обмін енергію АТФ. І як витрачає! До 70% всіх енерговитрат нейрона може йти на роботу натрій-калієвих насосів. (От що робить кохання, нехай воно навіть і не справжнє!)

До речі, цікаво, що клітина не народжується із готовим потенціалом спокою. Їй ще треба його створити. Наприклад, при диференціюванні та злитті міобластів потенціал їхньої мембрани змінюється від −10 до −70 мВ, тобто. їхня мембрана стає більш негативною - поляризується в процесі диференціювання. А в експериментах на мультипотентних мезенхімальних стромальних клітинах кісткового мозку людини штучна деполяризація, що протидіє потенціалу спокою та зменшує негативність клітин, навіть інгібувала (пригнічувала) диференціювання клітин.

Образно кажучи, можна сказати так: Створюючи потенціал спокою, клітина «заряджається любов'ю». Це любов до двох речей:

1. любов клітини до калію (тому клітина силоміць затягує його себе);
2. любов калію до свободи (тому калій залишає клітину, що захопила його).

Механізм насичення клітини калієм ми вже пояснили (це робота насосів-обмінників), а механізм відходу калію з клітини пояснимо нижче, коли перейдемо до опису другого етапу створення внутрішньоклітинної негативності. Отже, результат діяльності мембранних іонних насосів-обмінників на першому етапі формування потенціалу спокою такий:

1. Дефіцит натрію (Na+) у клітині.
2. Надлишок калію (K+) у клітці.
3. Поява на мембрані слабкого електричного потенціалу (-10 мВ).

Можна сказати так: на першому етапі іонні насоси мембрани створюють різницю концентрацій іонів, або градієнт (перепад) концентрації між внутрішньоклітинним і позаклітинним середовищем.

Другий етап створення негативності: витік іонів K+ із клітини

Отже, що починається у клітині після того, як з іонами попрацюють її мембранні натрій-калієві насоси-обмінники?

Через дефіцит натрію всередині клітини цей іон при кожному зручному випадку норовить спрямуватися всередину: розчинені речовини завжди прагнуть вирівняти свою концентрацію у всьому обсязі розчину. Але це у натрію виходить погано, оскільки іонні натрієві канали зазвичай закриті і відкриваються лише за певних умов: під впливом спеціальних речовин (трансмітерів) або зменшення негативності в клітині (деполяризації мембрани).

У той самий час у клітині є надлишок іонів калію проти зовнішнім середовищем - оскільки насоси мембрани насильно накачали їх у клітину. І він, теж прагнучи зрівняти свою концентрацію всередині та зовні, норовить, навпаки, вийти з клітки. І це в нього виходить!

Іони калію K+ залишають клітину під дією хімічного градієнта їх концентрації з різних боків мембрани (мембрана значно більш проникна для K+, ніж для Na+) і забирають із собою позитивні заряди. Через це всередині клітини наростає негативність.

Тут ще важливо зрозуміти те, що іони натрію і калію «не помічають» одне одного, вони реагують лише «на себе». Тобто. натрій реагує на концентрацію ж натрію, але «не звертає уваги» на те, скільки навколо калію. І навпаки, калій реагує лише на концентрацію калію та «не помічає» натрій. Виходить, що для розуміння поведінки іонів треба окремо розглядати концентрації іонів натрію та калію. Тобто. треба окремо порівняти концентрацію по натрію всередині та зовні клітини та окремо - концентрацію по калію всередині та зовні клітини, але не має сенсу порівнювати натрій з калієм, як це, буває, робиться у підручниках.

За законом вирівнювання хімічних концентрацій, що діє у розчинах, натрій «хоче» зовні увійти до клітини; туди ж його спричиняє й електрична сила (як ми пам'ятаємо, цитоплазма заряджена негативно). Хотіти він хоче, але не може, так як мембрана в звичайному стані погано його пропускає. Натрієві іонні канали, що є в мембрані, в нормі закриті. Якщо все ж таки його заходить трішки, то клітина відразу ж обмінює його на зовнішній калій за допомогою своїх натрій-калієвих насосів-обмінників. Виходить, що іони натрію проходять через клітину хіба що транзитом і затримуються у ній. Тому натрій у нейронах завжди у дефіциті.

А ось калій може легко виходити з клітини назовні! У клітці його повно, і вона його не може втримати. Він виходить назовні через спеціальні канали в мембрані - «калієві канали витоку», які в нормі відкриті та випускають калій.

К + -канали витоку постійно відкриті при нормальних значеннях мембранного потенціалу спокою і виявляють вибухи активності при зрушеннях мембранного потенціалу, які тривають кілька хвилин і спостерігаються за всіх значень потенціалу. Посилення К + -струмів витоку веде до гіперполяризації мембрани, тоді як їх придушення - до деполяризації. ...Проте існування канального механізму, відповідального за струми витоку, тривалий час залишалося під питанням. Тільки зараз стало ясно, що калієвий витік – це струм через спеціальні калієві канали.

Зефіров А.Л. та Сітдікова Г.Ф. Іонні канали збудливої ​​клітини (структура, функція, патологія).

Від хімічного – до електричного

А тепер – ще раз найголовніше. Ми повинні свідомо перейти від руху хімічних частинокдо руху електричних зарядів.

Калій (K+) позитивно заряджений, і тому він, коли виходить із клітини, виносить із неї не лише самого себе, а й позитивний заряд. За ним зсередини клітини до мембрани тягнуться мінуси - негативні заряди. Але вони можуть просочитися через мембрану - на відміну іонів калію - т.к. їм немає відповідних іонних каналів, і мембрана їх пропускає. Пам'ятаєте про непояснені нами −60 мВ негативності? Це і є та сама частина мембранного потенціалу спокою, яку створює витік іонів калію з клітини! І це – велика частина потенціалу спокою.

Для цієї складової частини потенціалу спокою є навіть спеціальна назва – концентраційний потенціал. Концентраційний потенціал - це частина потенціалу спокою, створена дефіцитом позитивних зарядів усередині клітини, що утворився рахунок витоку з неї позитивних іонів калію.

Ну, а тепер трохи фізики, хімії та математики для любителів точності.

Електричні сили пов'язані з хімічними рівняннями Гольдмана. Його окремим випадком є ​​просте рівняння Нернста, за формулою якого можна розрахувати трансмембранну дифузійну різницю потенціалів на основі різної концентрації іонів одного виду по різні боки мембрани. Так, знаючи концентрацію іонів калію зовні та всередині клітини, можна розрахувати калієвий рівноважний потенціал E K:

де Едо - рівноважний потенціал, R- газова постійна, Т- Абсолютна температура, F- постійна Фарадея, К + зовнішній і K + внутр - концентрації іонів К + зовні і всередині клітини, відповідно. За формулою видно, що з розрахунку потенціалу між собою порівнюються концентрації іонів одного виду - K+.

Більш точно підсумкова величина сумарного дифузійного потенціалу, що створюється витоком кількох видів іонів, розраховується за формулою Гольдмана-Ходжкіна-Катца. У ній враховано, що потенціал спокою залежить від трьох факторів: (1) полярність електричного заряду кожного іона; (2) проникності мембрани Рдля кожного іона; (3) [концентрацій відповідних іонів] усередині (всередину) та зовні мембрани (зовніш). Для мембрани аксона кальмара у спокої ставлення провідностей Р K: PNa :P Cl = 1: 0,04: 0,45.

Висновок

Отже, потенціал спокою складається з двох частин:

1. −10 мВ, які утворюються від «несиметричної» роботи мембранного насоса-обмінника (адже він більше викачує з клітини позитивних зарядів (Na+), ніж закачує назад з калієм).
2. Друга частина - це постійно витікає з клітини калій, що забирає позитивні заряди. Його внесок – основний: −60 мВ. У сумі це дає шукані −70 мВ.

Що цікаво, калій перестане виходити з клітини (точніше, його вхід та вихід зрівнюються) лише за рівня негативності клітини −90 мВ. У цьому випадку зрівняються хімічні та електричні сили, що проштовхують калій через мембрану, але спрямовують його у протилежні сторони. Але цьому заважає натрій, що постійно підтікає в клітину, який несе з собою позитивні заряди і зменшує негативність, за яку «бореться» калій. І нарешті у клітині підтримується рівноважний стан лише на рівні −70 мВ.

Ось тепер мембранний потенціал спокою остаточно сформовано.

Схема роботи Na+/K+-АТФазинаочно ілюструє «несиметричний» обмін Na+ на K+: викачування надлишкового «плюсу» у кожному циклі роботи ферменту призводить до негативного заряджання внутрішньої поверхні мембрани. Чого в цьому ролику не сказано, так це те, що АТФаза відповідальна за менш ніж 20% потенціалу спокою (-10 мВ): «негативність» (-60 мВ), що залишилася, з'являється за рахунок виходу з клітини через «калієві канали витоку» іонів K + , що прагнуть вирівняти свою концентрацію всередині клітини та поза нею.

Література

1. Jacqueline Fischer-Lougheed, Jian-Hui Liu, Estelle Espinos, David Mordasini, Charles R. Bader, et. al.. (2001). Human Myoblast Fusion Requires Expression of Functional Inward Rectifier Kir2.1 Channels . J Cell Biol. 153 , 677-686;
2. Liu J.H., Bijlenga P., Fischer-Lougheed J. et al. (1998). Роль an inward rectifier K + current і hyperpolarization in human myoblast fusion . J. Physiol. 510 , 467–476;
3. Sarah Sundelacruz, Michael Levin, David L. Kaplan. (2008). Membrane Potential Controls Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells. PLoS ONE. 3 , E3737;
4. Павловська М.В. та Мамикін А.І. Електростатика. Діелектрики та провідники в електричному полі. Постійний струм / Електронний посібник із загального курсу фізики. СПб: Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет;
5. Ноздрачев А.Д., Баженов Ю.І., Бараннікова І.А., Батуєв А.С. та ін. Початки фізіології: Підручник для вузів / За ред. акад. А.Д. Ноздрачова. СПб: Лань, 2001. – 1088 с.;
6. Макаров А.М. та Луньова Л.А. Основи електромагнетизму / Фізика у технічному університеті. Т. 3;
7. Зефіров А.Л. та Сітдікова Г.Ф. Іонні канали збудливої ​​клітки (структура, функція, патологія). Казань: Арт-кафе, 2010. – 271 с.;
8. Батьківщина Т.Г. Сенсорний аналіз продуктів. Підручник для студентів вищих навчальних закладів. М.: Академія, 2004. – 208 с.;
9. Кольман Я. та Рем К.-Г. Наочна біохімія. М.: Світ, 2004. – 469 с.;
10. Шульговський В.В. Основи нейрофізіології: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів. М: Аспект Прес, 2000. - 277 с.

Всі живі клітини мають здатність під впливом подразників переходити зі стану фізіологічного спокою у стан активності або збудження.

Порушення- це комплекс активних електричних, хімічних та функціональних змін у збудливих тканинах (нервової, м'язової або залізистої), якими тканина відповідає на зовнішній вплив. Важливу роль при збудженні відіграють електричні процеси, що забезпечують проведення збудження по нервових волокнах і тканини, що приводять в активний (робочий) стан.

Мембранний потенціал

Живі клітини мають важливу властивість: внутрішня поверхня клітини завжди заряджена негативно по відношенню до зовнішньої її сторони. Між зовнішньою поверхнею клітини, зарядженої електропозитивно по відношенню до протоплазми, та внутрішньою стороною клітинної мембрани існує різниця потенціалів, яка коливається в межах 60-70 мВ. За даними П. Г. Костюка (2001), у нервової клітини ця різниця коливається в межах від 30 до 70 мВ. Різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани клітини називають мембранним потенціалом,або потенціалом спокою(Рис. 2.1).

Мембранний потенціал спокою присутній на мембрані, поки клітина жива, і зникає із загибеллю клітини. Л. Гальвані ще в 1794 р. показав, що якщо пошкодити нерв або м'яз, зробивши поперечний переріз і приклавши до пошкодженої частини та до місця пошкодження електроди, з'єднані з гальванометром, то гальванометр покаже струм, який тече завжди від неушкодженої частини тканини до місця розрізу . Цю течію він назвав струмом спокою. За своєю фізіологічною сутністю струм спокою та мембранний потенціал спокою – одне й те саме. Виміряна в даному досвіді різниця потенціалів становить 30-50 мВ, оскільки при пошкодженні тканини частина струму шунтується в міжклітинному просторі та структуру рідини, що досліджується. Різницю потенціалів можна розрахувати за формулою Нернста:

де R – газова постійна, Т – абсолютна температура, F – число Фарадея, [К] вн. та [К] нар. - концентрація калію всередині та зовні клітини.

Рис. 2.1.

Причина виникнення потенціалу спокою загальна всім клітин. Між протоплазмою клітини та позаклітинним середовищем існує нерівномірний розподіл іонів (іонна асиметрія). Склад крові людини за сольовим балансом нагадує склад океанської води. Позаклітинне середовище в центральній нервовій системі також містить багато хлориду натрію. Іонний склад цитоплазми клітин бідніший. Всередині клітин в 8-10 разів менше іонів Na + і в 50 разів менше іонів С!". Основним катіоном цитоплазми є К + . Його концентрація всередині клітини в 30 разів вище, ніж у позаклітинному середовищі, і приблизно дорівнює позаклітинній концентрації Na Основними протиіонами для До + в цитоплазмі є органічні аніони, зокрема аніони аспарагінової, гістамінової та інших амінокислот.Такая асиметрія - це порушення термодинамічної рівноваги.Для того щоб відновити його, іони калію повинні поступово залишати клітину, а іони натрію - прагнути до неї. відбувається.

Першою перешкодою для вирівнювання різниці концентрацій іонів є плазматична мембрана клітини. Вона складається з подвійного шару молекул фосфоліпідів, покритих зсередини шаром білкових молекул, а зовні – шаром вуглеводів (мукополісахаридів). Деяка частина клітинних білків вбудована безпосередньо у подвійний ліпідний шар. Це внутрішні білки.

Мембранні білки всіх клітин ділять на п'ять класів: насоси, канали, рецептори, ферментиі структурні білки. Насосислужать для переміщення іонів і молекул проти концентрації градієнтів, використовуючи для цього метаболічну енергію. Білкові канали,або пори,забезпечують виборчу проникність (дифузію) через мембрану відповідних їм за розміром іонів та молекул. Рецепторні білки,які мають високу специфічність, розпізнають і пов'язують, прикріплюючи до мембрани, багато типів молекул, необхідні життєдіяльності клітини у кожний певний час. Ферментиприскорюють перебіг хімічних реакцій на поверхні мембрани. Структурні білкизабезпечують з'єднання клітин в органи та підтримання субклітинної структури.

Всі ці білки є специфічними, але не строго. У певних умовах той чи інший білок може бути одночасно і насосом, ферментом, і рецептором. Через канали мембрани молекули води, а також відповідні розмірам пор іони входять у клітину і виходять із неї. Проникність мембрани для різних катіонів не однакова і змінюється за різних функціональних станів тканини. У спокої мембрана в 25 разів більш проникна для іонів калію, ніж для іонів натрію, а при збудженні натрієва проникність приблизно в 20 разів перевищує калієву. У стані спокою рівні концентрації калію в цитоплазмі та натрію у позаклітинному середовищі мають забезпечити рівну кількість позитивних зарядів по обидва боки мембрани. Але оскільки проникність для іонів калію вище в 25 разів, то калій, виходячи з клітини, робить її поверхню все більш позитивно зарядженою по відношенню до внутрішньої сторони мембрани, біля якої все більше накопичуються надто великі для пор мембрани негативно заряджені молекули аспарагінової, гістамінової та інших. амінокислот, які «відпустили» калій за межі клітини, але «не дають» йому піти далеко завдяки своєму негативному заряду. З внутрішньої сторони мембрани накопичуються негативні заряди, і з зовнішньої - позитивні. Виникає різниця потенціалів. Дифузний струм іонів натрію в протоплазму із позаклітинної рідини утримує цю різницю на рівні 60-70 мВ, не даючи їй зростати. Дифузний струм іонів натрію у спокої у 25 разів слабший, ніж зустрічний струм іонів калію. Іони натрію, проникаючи всередину клітини, знижують величину потенціалу спокою, дозволяючи їй утримуватися певному рівні. Таким чином, величина потенціалу спокою м'язових і нервових клітин, а також нервових волокон визначається співвідношенням числа позитивно заряджених іонів калію, що дифундують в одиницю часу з клітини назовні, і позитивно заряджених іонів натрію, що дифундують через мембрану в протилежному напрямку. Чим це вище, тим більше величина потенціалу спокою, і навпаки.

Другою перешкодою, яка утримує різницю потенціалів на певному рівні, є натрій-калієвий насос (рис. 2.2). Він отримав назву натрій-калієвого або іонного, оскільки здійснює активне виведення (викачування) з протоплазми іонів натрію, що проникають до неї, і введення (нагнітання) в неї іонів калію. Джерелом енергії для роботи іонного насоса є розщеплення АТФ (аденозинтрифосфата), яке відбувається під впливом ферменту аденозинтрифосфатази, локалізованого в мембрані клітини та активованого тими ж іонами, тобто калієм та натрієм (нагрій-калій-залежна АТФ-аза).

Рис. 2.2.

Це великий білок, що перевищує за розміром товщину клітинної мембрани. Молекула цього білка, пронизуючи мембрану наскрізь, пов'язує з внутрішньої сторони переважно натрій та АТФ, а із зовнішньої - калій та різні інгібітори типу глікозидів. У цьому виникає мембранний струм. Завдяки цьому струму забезпечується відповідний напрямок перенесення іонів. Перенесення іонів відбувається у три етапи. Спочатку іон з'єднується з молекулою переносника, утворюючи комплекс іон-переносник. Потім цей комплекс проходить через мембрану чи переносить через неї заряд. На завершення - іон звільняється від переносника на протилежному боці мембрани. Одночасно відбувається аналогічний процес, що переносить іони у протилежному напрямку. Якщо насос здійснює перенесення одного іону натрію на один іон калію, він просто підтримує концентраційний градієнт по обидві сторони мембрани, але не вносить вкладу в створення мембранного потенціалу. Щоб зробити цей внесок, іонний насос повинен переносити натрій і калій у співвідношенні 3:2, тобто на 2 іони калію, що надходять у клітину, з клітини він повинен виводити 3 іони натрію. Працюючи з максимальним навантаженням, кожен насос здатний перекачувати через мембрану близько 130 іонів калію та 200 іонів натрію за секунду. Це гранична швидкість. У реальних умовах робота кожного насоса регулюється відповідно до потреб клітини. Більшість нейронів однією квадратний мікрон мембранної поверхні доводиться від 100 до 200 іонних насосів. Отже, мембрана будь-якої нервової клітини містить 1 млн. іонних насосів, здатних переміщати до 200 млн. іонів натрію в секунду.

Таким чином, мембранний потенціал (потенціал спокою) створюється в результаті пасивних, так і активних механізмів. Ступінь участі тих чи інших механізмів у різних клітинах неоднакова, з чого випливає, що мембранний потенціал може бути неоднаковим у різних структурах. Активність насосів може залежати від діаметра нервових волокон: чим тонше волокно, тим відношення розміру поверхні до обсягу цитоплазми вище, відповідно, і активність насосів, необхідна підтримки різниці концентрацій іонів на поверхні і всередині волокна, повинна бути більша. Інакше кажучи, мембранний потенціал може залежати від структури нервової тканини, отже, і його функціонального призначення. Електрична поляризація мембрани - основна умова, що забезпечує збудливість клітини. Це її постійна готовність до дії. Це запас потенційної енергії клітини, який може використовувати у разі, якщо нервової системі знадобиться її негайна реакція.

Мембранний потенціал

У стані спокою між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани клітини існує різниця потенціалів, яка називається мембранним потенціалом [МП), або, якщо це клітина збудливої ​​тканини, – потенціал спокою. Так як внутрішня сторона мембрани заряджена негативно по відношенню до зовнішньої, приймаючи потенціал зовнішнього розчину за нуль, МП записують зі знаком «мінус». Його величина у різних клітин коливається від -30 до -100 мВ.

Перша теорія виникнення та підтримки мембранного потенціалу була розроблена Ю. Бернштейном (1902). Виходячи з того, що мембрана клітин має високу проникність для іонів калію і малу проникність для інших іонів, він показав, що величину мембранного потенціалу можна визначити, використовуючи формулу Нернста.

У 1949-1952 рр. А. Ходжкін, Е. Хакслі, Б. Катц створили сучасну мембранно-іонну теорію, згідно з якою мембранний потенціал обумовлений не тільки концентрацією іонів калію, а й натрію і хлору, а також неоднаковою проникністю для цих іонів мембрани клітини. Цитоплазма нервових і м'язових клітин містить у 30-50 разів більше іонів калію, у 8-10 разів менше іонів натрію та у 50 разів менше іонів хлору, ніж позаклітинна рідина. Проникність мембрани для іонів обумовлена ​​іонними каналами, макромолекулами білка, що пронизують ліпідний шар. Одні канали відкриті постійно, інші (потенціалозалежні) відкриваються та закриваються у відповідь на зміни МП. Потенціалозалежні канали поділяються на натрієві, калієві, кальцієві та хлорні. У стані фізіологічного спокою мембрана нервових клітин у 25 разів більш проникна для іонів калію, ніж для іонів натрію.

Таким чином, відповідно до оновленої мембранної теорії асиметричний розподіл іонів по обидва боки мембрани і пов'язане з цим створення та підтримання мембранного потенціалу обумовлено як вибірковою проникністю мембрани для різних іонів, так і їх концентрацією по обидва боки від мембрани, а більш точно величину мембранного потенціалу можна розрахувати за формулою.

Поляризація мембрани у спокої пояснюється наявністю відкритих калієвих каналів та трансмембранним градієнтом концентрацій калію, що призводить до виходу частини внутрішньоклітинного калію в навколишню клітину середовище, тобто до появи позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани. Органічні аніони – великомолекулярні сполуки, котрим мембрана клітини непроникна, створюють на внутрішній поверхні мембрани негативний заряд. Тому що більше різниця концентрацій калію по обидва боки від мембрани, то більше вписується і тим вище значення МП. Перехід іонів калію і натрію через мембрану за їх концентраційним градієнтом зрештою мав би призвести до вирівнювання концентрації цих іонів усередині клітини та в навколишньому середовищі. Але в живих клітинах цього не відбувається, тому що в клітинній мембрані є натрій-калієві насоси, які забезпечують виведення з клітини іонів натрію та введення в неї іонів калію, працюючи із витратою енергії. Вони беруть і пряму участь у створенні МП, тому що за одиницю часу іонів натрію виводиться з клітини більше, ніж вводиться калію (у співвідношенні 3:2), що забезпечує постійний струм позитивних іонів з клітини. Те, що виведення натрію залежить від наявності метаболічної енергії, доводиться тим, що під дією динітрофенолу, який блокує метаболічні процеси, вихід натрію знижується приблизно в 100 разів. Таким чином, виникнення та підтримання мембранного потенціалу обумовлено вибірковою проникністю мембрани клітини та роботою натрій-калієвого насоса.

Встановлено, що найважливішими іонами, визначальними мембранні потенціали клітин, є неорганічні іони К + , Na + , СГ, соціальній та деяких випадках Са 2 + . Добре відомо, що концентрації цих іонів у цитоплазмі та міжклітинній рідині розрізняються в десятки разів.

З табл. 11.1 видно, що концентрація іонів К+ усередині клітини в 40-60 разів вище, ніж у міжклітинній рідині, тоді як для Na+ та СГ розподіл концентрацій протилежний. Нерівномірний розподіл концентрацій цих іонів з обох боків мембрани забезпечується як їх різною проникністю, так і сильним електричним полем мембрани, що визначається її потенціалом спокою.

Дійсно, у стані спокою сумарний потік іонів через мембрану дорівнює нулю, і тоді з рівняння Нернста - Планка випливає, що

Таким чином, у спокої градієнти концентрації - і

електричного потенціалу - на мембрані спрямовані

протилежно один одному і тому в клітці, що покоїться, висока і постійна різниця концентрацій основних іонів забезпечує підтримку на мембрані клітини електричної напруги, яку і називають рівноважним мембранним потенціалом.

У свою чергу, що виникає на мембрані потенціал спокою перешкоджає виходу іонів з клітини К + і надмірному входу в неї СГ, підтримуючи тим самим їх концентраційні градієнти на мембрані.

Повне вираження для мембранного потенціалу, що враховує потоки дифузії цих трьох видів іонів, отримано Гольдманом, Ходжкіним і Катцем:

де Р до, P Na , Р С1 – проникність мембрани для відповідних іонів.

Рівняння (11.3) із високою точністю визначає мембранні потенціали спокою різних клітин. З нього випливає, що для мембранного потенціалу спокою важливі не абсолютні величини проникності мембрани для різних іонів, а їх відносини, оскільки розділивши обидві частини дробу під знаком логарифму, наприклад, на Р к, ми перейдемо до відносних проникностей іонів.

У тих випадках, коли проникність одного з цих іонів значно більша за інші, рівняння (11.3) переходить у рівняння Нернста (11.1) для цього іона.

З табл. 11.1 видно, що мембранний потенціал спокою клітин близький до потенціалу Нернста для іонів К+ та СВ, але значно відрізняється від нього за Na+. Це свідчить

0 тому, що у спокої мембрана добре проникна для іонів К+ та СГ, тоді як для іонів Na+ її проникність дуже низька.

Незважаючи на те, що рівноважний потенціал Нернста для СГ найбільш близький до потенціалу спокою клітини, останній має переважно калієву природу. Це зумовлено тим, що висока внутрішньоклітинна концентрація К+ не може суттєво зменшитись, оскільки іони К+ повинні врівноважувати всередині клітини об'ємний негативний заряд аніонів. Внутрішньоклітинні аніони являють собою переважно великі органічні молекули (білки, залишки органічних кислот тощо), які не можуть пройти через канали в клітинній мембрані. Концентрація цих аніонів у клітині практично постійна та їх сумарний негативний заряд перешкоджає значному виходу калію з клітини, підтримуючи разом із Na-K-насосом його високу внутрішньоклітинну концентрацію. Проте основна роль початковому встановленні всередині клітини високої концентрації іонів калію і низької концентрації іонів натрію належить Na-K-насосу.

Розподіл іонів С1 встановлюється відповідно до мембранного потенціалу, оскільки в клітині немає спеціальних механізмів підтримки концентрації СГ. Тому внаслідок негативного заряду хлору його розподіл виявляється зворотним стосовно розподілу калію на мембрані (див. табл. 11.1). Таким чином, концентраційні дифузії К+ із клітини та С1 у клітину практично врівноважуються мембранним потенціалом спокою клітини.

Що стосується Na + , то в спокої його дифузія спрямована в клітину під дією градієнта концентрації, так і електричного поля мембрани і вхід Na + в клітину обмежується в спокої лише малою проникністю мембрани для натрію (закриті натрієві канали). Справді, Ходжкін і Катц експериментально встановили, що у стані спокою проникності мембрани аксона кальмара для К+, Na+ та СГ відносяться як 1:0,04:0,45. Таким чином, у стані спокою клітинна мембрана малопроникна тільки для Na +, а для СГ вона проникна майже так само добре, як і для К+. У нервових клітинах проникність для СГ зазвичай нижче, ніж К + , але у м'язових волокнах проникність для СГ навіть трохи переважає.

Незважаючи на малу проникність клітинної мембрани для Na+ у спокої, існує, хоч і дуже малий, пасивний перенесення Na+ у клітину. Цей струм Na+ мав би призводити до зниження різниці потенціалів на мембрані і до виходу К+ із клітини, що вело б у кінцевому підсумку до вирівнювання концентрацій Na+ та К+ з обох боків мембрани. Цього не відбувається завдяки роботі Na + - К + -насоса, що компенсує струми витоку Na + і К + і таким чином підтримує нормальні значення внутрішньоклітинних концентрацій цих іонів і, отже, нормальну величину потенціалу спокою клітини.

Для більшості клітин мембранний потенціал спокою становить (-бО)-(-ЮО) мВ. На перший погляд може здатися, що це мала величина, але треба врахувати, що товщина мембрани теж мала (8-10 нм), так що напруженість електричного поля в клітинній мембрані є величезною і становить близько 10 млн вольт на 1 м (або 100 кВ на 1 см):

Повітря, наприклад, не витримує такої напруженості електричного поля (електричний пробій у повітрі настає за 30 кВ/см), а мембрана витримує. Це нормальна умова її діяльності, оскільки саме таке електричне поле необхідне підтримки різниці концентрацій іонів натрію, калію та хлору на мембрані.

Величина потенціалу спокою, різна у клітин, може змінюватись за зміни умов їх життєдіяльності. Так, порушення біоенергетичних процесів у клітині, що супроводжується падінням внутрішньоклітинного рівня макро-ергічних сполук (зокрема, АТФ), перш за все виключає компонент потенціалу спокою, пов'язаний з роботою Ма + -К + -АТФ-ази.

Пошкодження клітини зазвичай призводить до підвищення проникності клітинних мембран, в результаті чого відмінності в проникності мембрани для іонів калію і натрію зменшуються; потенціал спокою при цьому зменшується, що може спричинити порушення ряду функцій клітини, наприклад, збудливості.

• Оскільки внутрішньоклітинна концентрація калію підтримується майже постійною, то навіть відносно невеликі зміни позаклітинної концентрації К* можуть помітно впливати на потенціал спокою і на діяльність клітини. Подібні зміни концентрації К в плазмі крові відбуваються при деяких патологіях (наприклад, приниркової недостатності).