Мембранный потенциал: основа электрической активности клеток

Введение

Тип физической величины

Мембранный потенциал (также трансмембранный потенциал или мембранное напряжение) — это разница в электрическом потенциале между внутренней и внешней сторонами биологической клетки. Иными словами, существует разница в энергии, необходимой для перемещения электрических зарядов из внутренней в наружную клеточную среду и обратно, при отсутствии приобретения кинетической энергии или генерации излучения. Концентрационные градиенты зарядов непосредственно определяют эту потребность в энергии. Типичные значения мембранного потенциала для внешней стороны клетки, обычно выражаемые в милливольтах (мВ), варьируются от –80 мВ до –40 мВ. Все клетки животных окружены мембраной, состоящей из липидного бислоя с встроенными в него белками. Мембрана служит одновременно изолятором и диффузионным барьером для движения ионов. Трансмембранные белки, также известные как ионные транспортеры или ионные насосы, активно перемещают ионы через мембрану, создавая градиенты концентрации, а ионные каналы позволяют ионам двигаться по этим градиентам концентрации. Ионные насосы и ионные каналы электрически эквивалентны набору батарей и резисторов, включенных в мембрану, и поэтому создают разность потенциалов между двумя сторонами мембраны. Почти все плазматические мембраны имеют электрический потенциал, при этом внутренняя сторона обычно отрицательна относительно внешней. Мембранный потенциал выполняет две основные функции. Во-первых, он позволяет клетке функционировать как батарея, обеспечивая энергией работу различных "молекулярных устройств", встроенных в мембрану. Во-вторых, в электрически возбудимых клетках, таких как нейроны и мышечные клетки, он используется для передачи сигналов между различными частями клетки. Сигналы генерируются при открытии или закрытии ионных каналов в определенной точке мембраны, что вызывает локальное изменение мембранного потенциала. Это изменение электрического поля может быть быстро воспринято соседними или более удаленными ионными каналами в мембране. Эти ионные каналы могут затем открываться или закрываться в ответ на изменение потенциала, воспроизводя сигнал. В невозбудимых клетках и в возбудимых клетках в состоянии покоя мембранный потенциал поддерживается на относительно стабильном уровне, называемом потенциалом покоя. Для нейронов потенциал покоя обычно находится в диапазоне от –80 до –70 милливольт, то есть внутренняя часть клетки имеет отрицательный базовый потенциал, немного меньший одной десятой вольта. Открытие и закрытие ионных каналов может приводить к отклонению от потенциала покоя. Это называется деполяризацией, если внутренний потенциал становится менее отрицательным (например, от –70 мВ до –60 мВ), или гиперполяризацией, если внутренний потенциал становится более отрицательным (например, от –70 мВ до –80 мВ). В возбудимых клетках достаточно сильная деполяризация может вызвать потенциал действия, при котором мембранный потенциал быстро и значительно изменяется за короткий промежуток времени (порядка 1–100 миллисекунд), часто меняя свою полярность. Потенциалы действия генерируются активацией определенных вольтаж-зависимых ионных каналов. В нейронах на мембранный потенциал влияют разнообразные факторы, включая множество типов ионных каналов, некоторые из которых активируются химически, а некоторые — изменением напряжения. Поскольку вольтаж-зависимые ионные каналы контролируются мембранным потенциалом, а сам мембранный потенциал находится под влиянием этих же ионных каналов, возникают петли обратной связи, обеспечивающие сложную временную динамику, включая колебания и регенеративные процессы, такие как потенциалы действия.

Membrane potential (also transmembrane potential or membrane voltage) is the difference in electric potential between the interior and the exterior of a biological cell. That is, there is a difference in the energy required for electric charges to move from the internal to exterior cellular environments and vice versa, as long as there is no acquisition of kinetic energy or the production of radiation. The concentration gradients of the charges directly determine this energy requirement. For the exterior of the cell, typical values of membrane potential, normally given in units of milli volts and denoted as mV, range from –80 mV to –40 mV. All animal cells are surrounded by a membrane composed of a lipid bilayer with proteins embedded in it. The membrane serves as both an insulator and a diffusion barrier to the movement of ions. Transmembrane proteins, also known as ion transporter or ion pump proteins, actively push ions across the membrane and establish concentration gradients across the membrane, and ion channels allow ions to move across the membrane down those concentration gradients. Ion pumps and ion channels are electrically equivalent to a set of batteries and resistors inserted in the membrane, and therefore create a voltage between the two sides of the membrane. Almost all plasma membranes have an electrical potential across them, with the inside usually negative with respect to the outside. The membrane potential has two basic functions. First, it allows a cell to function as a battery, providing power to operate a variety of "molecular devices" embedded in the membrane. Second, in electrically excitable cells such as neurons and muscle cells, it is used for transmitting signals between different parts of a cell. Signals are generated by opening or closing of ion channels at one point in the membrane, producing a local change in the membrane potential. This change in the electric field can be quickly sensed by either adjacent or more distant ion channels in the membrane. Those ion channels can then open or close as a result of the potential change, reproducing the signal. In non excitable cells, and in excitable cells in their baseline states, the membrane potential is held at a relatively stable value, called the resting potential. For neurons, resting potential is defined as ranging from –80 to –70 millivolts; that is, the interior of a cell has a negative baseline voltage of a bit less than one tenth of a volt. The opening and closing of ion channels can induce a departure from the resting potential. This is called a depolarization if the interior voltage becomes less negative (say from –70 mV to –60 mV), or a hyperpolarization if the interior voltage becomes more negative (say from –70 mV to –80 mV). In excitable cells, a sufficiently large depolarization can evoke an action potential, in which the membrane potential changes rapidly and significantly for a short time (on the order of 1 to 100 milliseconds), often reversing its polarity. Action potentials are generated by the activation of certain voltage gated ion channels. In neurons, the factors that influence the membrane potential are diverse. They include numerous types of ion channels, some of which are chemically gated and some of which are voltage gated. Because voltage gated ion channels are controlled by the membrane potential, while the membrane potential itself is influenced by these same ion channels, feedback loops that allow for complex temporal dynamics arise, including oscillations and regenerative events such as action potentials.

Физическая основа

Потенциал мембраны в клетке в конечном итоге обусловлен двумя факторами: электрической силой и диффузией. Электрическая сила возникает вследствие взаимного притяжения между частицами с противоположными электрическими зарядами (положительными и отрицательными) и взаимного отталкивания между частицами с одинаковым типом заряда (как положительными, так и отрицательными). Диффузия обусловлена статистической тенденцией частиц к перераспределению из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.

Напряжение

Напряжение, являющееся синонимом разности электрических потенциалов, – это способность создавать электрический ток при наличии сопротивления. Действительно, самое простое определение напряжения дается законом Ома: V=IR, где V – напряжение, I – ток, а R – сопротивление. Если источник напряжения, например батарея, включен в электрическую цепь, то чем выше напряжение источника, тем больший ток он будет создавать при заданном сопротивлении. Функциональное значение напряжения проявляется лишь в разности потенциалов между двумя точками в цепи. Понятие напряжения в одной точке лишено смысла. В электронике принято устанавливать нулевой потенциал для произвольно выбранного элемента цепи, а затем определять напряжения других элементов относительно этой точки отсчета. Выбор конкретного элемента в качестве точки отсчета не имеет значения – функционирование цепи зависит только от разностей потенциалов, а не от абсолютных значений напряжения. Однако, как правило, и по соглашению, нулевой уровень чаще всего присваивается части цепи, контактирующей с землей. Тот же принцип применим и к напряжению в клеточной биологии. В электрически активных тканях разность потенциалов между любыми двумя точками можно измерить, вставив электрод в каждую точку, например, один внутри и один снаружи клетки, и подключив оба электрода к выводам, по сути, специализированного вольтметра. По соглашению, нулевой потенциал присваивается внешней стороне клетки, а знак разности потенциалов между внешней и внутренней сторонами определяется потенциалом внутренней части относительно внешнего нуля. В математическом плане определение напряжения начинается с понятия электрического поля 'E' – векторного поля, которое каждой точке пространства присваивает величину и направление. Во многих случаях электрическое поле является потенциальным, то есть его можно выразить как градиент скалярной функции V. Эта скалярная функция V называется распределением напряжения. Определение допускает произвольную постоянную интегрирования, поэтому абсолютные значения напряжения не имеют физического смысла. В общем случае, электрические поля можно считать потенциальными, только если магнитные поля не оказывают на них существенного влияния, но это условие обычно хорошо выполняется для биологических тканей. Поскольку электрическое поле является градиентом распределения напряжения, быстрые изменения напряжения в небольшом объеме указывают на сильное электрическое поле; наоборот, если напряжение остается примерно постоянным в большом объеме, то электрические поля в этом объеме должны быть слабыми. Сильное электрическое поле, эквивалентное большому градиенту напряжения, означает, что на любые заряженные частицы в этом объеме действует значительная сила.

Voltage, which is synonymous with difference in electrical potential, is the ability to drive an electric current across a resistance. Indeed, the simplest definition of a voltage is given by Ohm's law: V=IR, where V is voltage, I is current and R is resistance. If a voltage source such as a battery is placed in an electrical circuit, the higher the voltage of the source the greater the amount of current that it will drive across the available resistance. The functional significance of voltage lies only in potential differences between two points in a circuit. The idea of a voltage at a single point is meaningless. It is conventional in electronics to assign a voltage of zero to some arbitrarily chosen element of the circuit, and then assign voltages for other elements measured relative to that zero point. There is no significance in which element is chosen as the zero point—the function of a circuit depends only on the differences not on voltages per se. However, in most cases and by convention, the zero level is most often assigned to the portion of a circuit that is in contact with ground. The same principle applies to voltage in cell biology. In electrically active tissue, the potential difference between any two points can be measured by inserting an electrode at each point, for example one inside and one outside the cell, and connecting both electrodes to the leads of what is in essence a specialized voltmeter. By convention, the zero potential value is assigned to the outside of the cell and the sign of the potential difference between the outside and the inside is determined by the potential of the inside relative to the outside zero. In mathematical terms, the definition of voltage begins with the concept of an electric field 'E', a vector field assigning a magnitude and direction to each point in space. In many situations, the electric field is a conservative field, which means that it can be expressed as the gradient of a scalar function V, that is, This scalar field V is referred to as the voltage distribution. The definition allows for an arbitrary constant of integration—this is why absolute values of voltage are not meaningful. In general, electric fields can be treated as conservative only if magnetic fields do not significantly influence them, but this condition usually applies well to biological tissue. Because the electric field is the gradient of the voltage distribution, rapid changes in voltage within a small region imply a strong electric field; on the converse, if the voltage remains approximately the same over a large region, the electric fields in that region must be weak. A strong electric field, equivalent to a strong voltage gradient, implies that a strong force is exerted on any charged particles that lie within the region.

Ионы и силы, которые управляют их движением

Электрические сигналы в биологических организмах, как правило, обусловлены ионами. Наиболее важными катионами для потенциала действия являются натрий (Na+) и калий (K+). Оба этих иона являются одновалентными катионами, несущими один положительный заряд. Потенциалы действия также могут включать кальций (Ca2+), который является двухвалентным катионом, несущим двойной положительный заряд. Хлорид-анион (Cl−) играет важную роль в потенциалах действия некоторых водорослей, но играет незначительную роль в потенциалах действия большинства животных. Ионы пересекают клеточную мембрану под воздействием двух факторов: диффузии и электрических полей. Простой пример, в котором два раствора – А и Б – разделены пористым барьером, иллюстрирует, что диффузия обеспечит их в конечном итоге смешивание в растворы с одинаковой концентрацией. Это смешивание происходит из-за разницы в их концентрациях. Область с высокой концентрацией будет диффундировать в область с низкой концентрацией. Чтобы расширить пример, предположим, что раствор А содержит 30 ионов натрия и 30 ионов хлорида, а раствор Б – только 20 ионов натрия и 20 ионов хлорида. Если барьер пропускает оба типа ионов, то будет достигнуто устойчивое состояние, при котором оба раствора содержат по 25 ионов натрия и 25 ионов хлорида. Однако, если пористый барьер избирательно пропускает определенные ионы, то диффузия сама по себе не определит состав конечного раствора. Вернемся к предыдущему примеру и построим барьер, проницаемый только для ионов натрия. Теперь только натрий может диффундировать через барьер из области с более высокой концентрацией в растворе А в область с более низкой концентрацией в растворе Б. Это приведет к большему накоплению ионов натрия, чем ионов хлорида, в растворе Б, и к меньшему количеству ионов натрия, чем ионов хлорида, в растворе А. Это означает, что в растворе Б будет чистый положительный заряд из-за более высокой концентрации положительно заряженных ионов натрия, чем отрицательно заряженных ионов хлорида. Аналогично, в растворе А будет чистый отрицательный заряд из-за большей концентрации отрицательных ионов хлорида, чем положительных ионов натрия. Поскольку противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются, ионы теперь также подвержены влиянию электрических полей, помимо сил диффузии. Следовательно, положительные ионы натрия будут менее склонны перемещаться в теперь более положительный раствор Б и останутся в теперь более отрицательном растворе А. Точка, в которой силы электрических полей полностью уравновешивают силу, обусловленную диффузией, называется потенциалом равновесия. В этой точке чистый поток конкретного иона (в данном случае натрия) равен нулю.

Electrical signals within biological organisms are, in general, driven by ions. The most important cations for the action potential are sodium (Na+) and potassium (K+). Both of these are monovalent cations that carry a single positive charge. Action potentials can also involve calcium (Ca2+), which is a divalent cation that carries a double positive charge. The chloride anion (Cl−) plays a major role in the action potentials of some algae, but plays a negligible role in the action potentials of most animals. Ions cross the cell membrane under two influences: diffusion and electric fields. A simple example wherein two solutions—A and B—are separated by a porous barrier illustrates that diffusion will ensure that they will eventually mix into equal solutions. This mixing occurs because of the difference in their concentrations. The region with high concentration will diffuse out toward the region with low concentration. To extend the example, let solution A have 30 sodium ions and 30 chloride ions. Also, let solution B have only 20 sodium ions and 20 chloride ions. Assuming the barrier allows both types of ions to travel through it, then a steady state will be reached whereby both solutions have 25 sodium ions and 25 chloride ions. If, however, the porous barrier is selective to which ions are let through, then diffusion alone will not determine the resulting solution. Returning to the previous example, let's now construct a barrier that is permeable only to sodium ions. Now, only sodium is allowed to diffuse cross the barrier from its higher concentration in solution A to the lower concentration in solution B. This will result in a greater accumulation of sodium ions than chloride ions in solution B and a lesser number of sodium ions than chloride ions in solution A. This means that there is a net positive charge in solution B from the higher concentration of positively charged sodium ions than negatively charged chloride ions. Likewise, there is a net negative charge in solution A from the greater concentration of negative chloride ions than positive sodium ions. Since opposite charges attract and like charges repel, the ions are now also influenced by electrical fields as well as forces of diffusion. Therefore, positive sodium ions will be less likely to travel to the now more positive B solution and remain in the now more negative A solution. The point at which the forces of the electric fields completely counteract the force due to diffusion is called the equilibrium potential. At this point, the net flow of the specific ion (in this case sodium) is zero.

Плазменные мембраны

Каждая клетка заключена в плазменную мембрану, которая имеет структуру липидного бислоя с множеством типов крупных молекул, встроенных в нее. Поскольку она состоит из липидных молекул, плазменная мембрана обладает изначально высоким электрическим сопротивлением, иными словами, низкой внутренней проницаемостью для ионов. Однако некоторые из молекул, встроенных в мембрану, способны либо активно транспортировать ионы с одной стороны мембраны на другую, либо создавать каналы, через которые они могут перемещаться. В электротехнической терминологии плазменная мембрана функционирует как комбинированный резистор и конденсатор. Сопротивление возникает из-за того, что мембрана препятствует движению зарядов сквозь себя. Ёмкость возникает из-за того, что липидный бислой настолько тонкий, что накопление заряженных частиц с одной стороны создает электрическую силу, притягивающую заряженные частицы с противоположным знаком к другой стороне. На ёмкость мембраны относительно мало влияют встроенные в неё молекулы, поэтому она имеет более или менее постоянное значение, оцениваемое в 2 мкФ/см² (общая ёмкость участка мембраны пропорциональна его площади). Проводимость чистого липидного бислоя, с другой стороны, настолько низка, что в биологических условиях она всегда определяется проводимостью альтернативных путей, обеспечиваемых встроенными молекулами. Таким образом, ёмкость мембраны более или менее фиксирована, а сопротивление сильно варьируется. Толщина плазменной мембраны оценивается примерно в 7-8 нанометров. Поскольку мембрана очень тонкая, для создания сильного электрического поля внутри неё не требуется большого трансмембранного напряжения. Типичные мембранные потенциалы в клетках животных составляют около 100 милливольт (то есть одна десятая вольта), но расчеты показывают, что это создает электрическое поле, близкое к максимальному, которое мембрана может выдержать – было рассчитано, что разность потенциалов, превышающая 200 милливольт, может вызвать диэлектрический пробой, то есть возникновение электрической дуги сквозь мембрану.

Every cell is enclosed in a plasma membrane, which has the structure of a lipid bilayer with many types of large molecules embedded in it. Because it is made of lipid molecules, the plasma membrane intrinsically has a high electrical resistivity, in other words a low intrinsic permeability to ions. However, some of the molecules embedded in the membrane are capable either of actively transporting ions from one side of the membrane to the other or of providing channels through which they can move. In electrical terminology, the plasma membrane functions as a combined resistor and capacitor. Resistance arises from the fact that the membrane impedes the movement of charges across it. Capacitance arises from the fact that the lipid bilayer is so thin that an accumulation of charged particles on one side gives rise to an electrical force that pulls oppositely charged particles toward the other side. The capacitance of the membrane is relatively unaffected by the molecules that are embedded in it, so it has a more or less invariant value estimated at 2 μF/cm2 (the total capacitance of a patch of membrane is proportional to its area). The conductance of a pure lipid bilayer is so low, on the other hand, that in biological situations it is always dominated by the conductance of alternative pathways provided by embedded molecules. Thus, the capacitance of the membrane is more or less fixed, but the resistance is highly variable. The thickness of a plasma membrane is estimated to be about 7 8 nanometers. Because the membrane is so thin, it does not take a very large transmembrane voltage to create a strong electric field within it. Typical membrane potentials in animal cells are on the order of 100 millivolts (that is, one tenth of a volt), but calculations show that this generates an electric field close to the maximum that the membrane can sustain—it has been calculated that a voltage difference much larger than 200 millivolts could cause dielectric breakdown, that is, arcing across the membrane.

Упрощенное распространение и транспортировка

Сопротивление чистого липидного бислоя прохождению ионов через него очень высоко, но структуры, встроенные в мембрану, могут значительно усиливать перемещение ионов, как активно, так и пассивно, посредством механизмов, называемых облегченной транспортировкой и облегченной диффузией. Два основных типа таких структур – это ионные каналы и ионные насосы, которые обычно формируются из комплексов белковых молекул. Ионные каналы предоставляют проходы, через которые ионы могут перемещаться. В большинстве случаев ионный канал проницаем только для определенных типов ионов (например, натрия и калия, но не хлорида или кальция), и иногда проницаемость меняется в зависимости от направления движения ионов. Ионные насосы, также известные как ионные транспортеры или белки-переносчики, активно транспортируют определенные типы ионов с одной стороны мембраны на другую, иногда используя для этого энергию, полученную от метаболических процессов.

Ионные насосы

Ионные насосы – это интегральные мембранные белки, которые осуществляют активный транспорт, то есть используют клеточную энергию (АТФ) для "накачки" ионов против их градиента концентрации. Такие ионные насосы принимают ионы с одной стороны мембраны (уменьшая их концентрацию там) и высвобождают их с другой стороны (увеличивая их концентрацию там). Ионный насос, наиболее важный для потенциала действия, – это натрий-калиевый насос, который транспортирует три иона натрия из клетки и два иона калия внутрь. Аналогичным образом, другие ионы имеют различную концентрацию внутри и снаружи нейрона, например, кальций, хлорид и магний. Ионы редко проходят через "неподходящий" канал. Например, ионы натрия или кальция редко проходят через калийный канал. Ионные каналы – это интегральные мембранные белки с порой, через которую ионы могут перемещаться между внеклеточным пространством и внутренней частью клетки. Большинство каналов специфичны (селективны) к одному иону; например, большинство калийных каналов характеризуются селективностью 1000:1 по отношению к калию и натрию, хотя ионы калия и натрия имеют одинаковый заряд и отличаются лишь незначительно по радиусу. Пора канала обычно настолько мала, что ионы должны проходить через нее по одному. Поры канала могут быть открытыми или закрытыми для прохождения ионов, хотя некоторые каналы демонстрируют различные уровни субпроводности. Когда канал открыт, ионы проникают через пору канала вниз по трансмембранному градиенту концентрации для данного иона. Скорость ионного потока через канал, то есть амплитуда одноканального тока, определяется максимальной проводимостью канала и электрохимической движущей силой для этого иона, которая представляет собой разницу между мгновенным значением мембранного потенциала и значением потенциала разворота. Канал может иметь несколько различных состояний (соответствующих различным конформациям белка), но каждое такое состояние либо открыто, либо закрыто. В общем случае, закрытые состояния соответствуют либо сужению поры, делающему ее непроходимой для иона, либо отдельной части белка, закупоривающей пору. Например, натриевый канал, зависимый от напряжения, подвергается инактивации, при которой часть белка заходит в пору, герметизируя ее. Эта инактивация прекращает натриевый ток и играет важную роль в потенциале действия. Ионные каналы можно классифицировать в зависимости от того, как они реагируют на окружающую среду. Например, ионные каналы, участвующие в потенциале действия, являются каналами, чувствительными к напряжению; они открываются и закрываются в ответ на изменение напряжения через мембрану. Лиганд-зависимые каналы образуют еще один важный класс; эти ионные каналы открываются и закрываются в ответ на связывание молекулы лиганда, например, нейротрансмиттера. Другие ионные каналы открываются и закрываются под действием механических сил. Другие ионные каналы, такие как каналы сенсорных нейронов, открываются и закрываются в ответ на другие стимулы, такие как свет, температура или давление.

Ion pumps are integral membrane proteins that carry out active transport, i. e., use cellular energy (ATP) to "pump" the ions against their concentration gradient. Such ion pumps take in ions from one side of the membrane (decreasing its concentration there) and release them on the other side (increasing its concentration there). The ion pump most relevant to the action potential is the sodium–potassium pump, which transports three sodium ions out of the cell and two potassium ions in. In a similar manner, other ions have different concentrations inside and outside the neuron, such as calcium, chloride and magnesium. ions rarely go through the "wrong" channel. For example, sodium or calcium ions rarely pass through a potassium channel.|alt=Seven spheres whose radii are proportional to the radii of mono valent lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium cations (0.76, 1.02, 1.38, 1.52, and 1.67 Å, respectively), divalent calcium cation (1.00 Å) and mono valent chloride (1.81 Å).]] Ion channels are integral membrane proteins with a pore through which ions can travel between extracellular space and cell interior. Most channels are specific (selective) for one ion; for example, most potassium channels are characterized by 1000:1 selectivity ratio for potassium over sodium, though potassium and sodium ions have the same charge and differ only slightly in their radius. The channel pore is typically so small that ions must pass through it in single file order. Channel pores can be either open or closed for ion passage, although a number of channels demonstrate various sub conductance levels. When a channel is open, ions permeate through the channel pore down the transmembrane concentration gradient for that particular ion. Rate of ionic flow through the channel, i. e. single channel current amplitude, is determined by the maximum channel conductance and electrochemical driving force for that ion, which is the difference between the instantaneous value of the membrane potential and the value of the reversal potential. A channel may have several different states (corresponding to different conformations of the protein), but each such state is either open or closed. In general, closed states correspond either to a contraction of the pore—making it impassable to the ion—or to a separate part of the protein, stoppering the pore. For example, the voltage dependent sodium channel undergoes inactivation, in which a portion of the protein swings into the pore, sealing it. This inactivation shuts off the sodium current and plays a critical role in the action potential. Ion channels can be classified by how they respond to their environment. For example, the ion channels involved in the action potential are voltage sensitive channels; they open and close in response to the voltage across the membrane. Ligand gated channels form another important class; these ion channels open and close in response to the binding of a ligand molecule, such as a neurotransmitter. Other ion channels open and close with mechanical forces. Still other ion channels—such as those of sensory neurons—open and close in response to other stimuli, such as light, temperature or pressure.

Каналы утечки

Каналы утечки – это самый простой тип ионных каналов, поскольку их проницаемость более или менее постоянна. Наибольшее значение в нейронах имеют калиевые и хлоридные каналы утечки. Однако даже эти каналы не обладают абсолютно постоянными свойствами: во-первых, большинство из них зависят от напряжения, то есть лучше проводят ионы в одном направлении, чем в другом (иными словами, они являются выпрямителями); во-вторых, некоторые из них могут быть заблокированы химическими лигандами, хотя для своей работы они не нуждаются в лигандах.

Лигандо-открытые каналы

Лиганд-зависимые ионные каналы – это каналы, проницаемость которых значительно возрастает при связывании с белком определенного химического лиганда. В клетках животных содержится сотни, а возможно, и тысячи различных типов таких каналов. Значительная часть из них функционирует как рецепторы нейромедиаторов – они расположены в постсинаптических участках, а химический лиганд, открывающий эти каналы, высвобождается пресинаптическим аксоном. Примером такого типа является AMPA-рецептор, рецептор нейромедиатора глутамата, который при активации обеспечивает прохождение ионов натрия и калия. Другой пример – GABAA-рецептор, рецептор нейромедиатора ГАМК, который при активации обеспечивает прохождение ионов хлора. Рецепторы нейромедиаторов активируются лигандами, присутствующими во внеклеточном пространстве, однако существуют и другие типы лиганд-зависимых каналов, контролируемых взаимодействиями с внутриклеточной стороны.

Канал напряжения

Напряженно-зависимые ионные каналы, также известные как ионные каналы, управляемые напряжением, – это каналы, проницаемость которых определяется мембранным потенциалом. Они составляют обширную группу, в которой каждый канал обладает специфической ионной селективностью и определенной зависимостью от напряжения. Многие из них также обладают временной зависимостью – то есть, не реагируют мгновенно на изменение напряжения, а лишь после определенной задержки. Одним из важнейших представителей этой группы является тип напряженно-зависимого натриевого канала, лежащий в основе потенциала действия – их иногда называют натриевыми каналами Ходжкина-Хаксли, поскольку они были впервые охарактеризованы Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли в их исследованиях физиологии потенциала действия, удостоенных Нобелевской премии. Канал находится в закрытом состоянии при потенциале покоя, но резко открывается при превышении определенного порогового значения напряжения, обеспечивая массивный приток ионов натрия, что вызывает очень быстрое изменение мембранного потенциала. Восстановление после потенциала действия частично обусловлено типом напряженно-зависимого калиевого канала, который закрыт при потенциале покоя, но открывается в ответ на значительное изменение напряжения, возникающее во время потенциала действия.

Изменения потенциала мембраны в процессе развития

Потенциал мембраны покоя нейрона действительно изменяется в процессе развития организма. Для того чтобы нейрон в конечном итоге достиг своей полной взрослой функции, его потенциал должен строго регулироваться на этапах развития. По мере прогресса развития организма потенциал мембраны покоя становится более отрицательным. Глиальные клетки также дифференцируются и пролиферируют по мере развития мозга. Увеличение количества этих глиальных клеток повышает способность организма регулировать внеклеточный калий. Снижение концентрации внеклеточного калия может приводить к уменьшению мембранного потенциала на 35 мВ.

Возбудимость клеток

Возбудимость клеток – это изменение потенциала мембраны, необходимое для клеточных реакций в различных тканях. Возбудимость клеток – это свойство, индуцируемое в процессе раннего эмбриогенеза. Возбудимость клетки также определяется как легкость, с которой может быть вызван ответ. Потенциалы покоя и пороговый потенциал формируют основу возбудимости клеток, и эти процессы фундаментальны для генерации градированных потенциалов и потенциалов действия. Наиболее важными регуляторами возбудимости клеток являются концентрации внеклеточных электролитов (т. е. Na+, K+, Ca2+, Cl−, Mg2+) и связанные с ними белки. Важными белками, регулирующими возбудимость клеток, являются вольтаж-зависимые ионные каналы, ионные транспортеры (например, Na+/K+ АТФаза, транспортеры магния, кислотно-основные транспортеры), мембранные рецепторы и гиперполяризационно-активированные циклические нуклеотидные каналы. Например, калиевые каналы и рецепторы, чувствительные к кальцию, являются важными регуляторами возбудимости в нейронах, кардиомиоцитах и многих других возбудимых клетках, таких как астроциты. Ион кальция также является важнейшим вторичным мессенджером в сигнальных путях возбудимых клеток. Активация синаптических рецепторов инициирует длительные изменения возбудимости нейронов. Гормоны щитовидной железы, надпочечников и другие также регулируют возбудимость клеток, например, прогестерон и эстроген модулируют возбудимость клеток гладкой мускулатуры миометрия. Многие типы клеток считаются обладающими возбудимой мембраной. К возбудимым клеткам относятся нейроны, мышечные клетки (сердечные, скелетные, гладкие), клетки сосудистого эндотелия, перициты, юкстагломерулярные клетки, интерстициальные клетки Кахаля, многие типы эпителиальных клеток (например, бета-клетки, альфа-клетки, дельта-клетки, энтероэндокринные клетки, легочные нейроэндокринные клетки, пинеалоциты), глиальные клетки (например, астроциты), механорецепторные клетки (например, волосковые клетки и клетки Меркеля), хеморецепторные клетки (например, гломусные клетки, вкусовые рецепторы), некоторые растительные клетки и, возможно, иммунные клетки. Астроциты проявляют форму неэлектрической возбудимости, основанную на внутриклеточных колебаниях кальция, связанных с экспрессией нескольких рецепторов, посредством которых они могут обнаруживать синаптический сигнал. В нейронах различные участки клетки обладают разными мембранными свойствами; например, дендритная возбудимость наделяет нейроны способностью к обнаружению совпадений пространственно разделенных сигналов.

Cell excitability is the change in membrane potential that is necessary for cellular responses in various tissues. Cell excitability is a property that is induced during early embriogenesis. Excitability of a cell has also been defined as the ease with which a response may be triggered. The resting and threshold potentials forms the basis of cell excitability and these processes are fundamental for the generation of graded and action potentials. The most important regulators of cell excitability are the extracellular electrolyte concentrations (i. e. Na+, K+, Ca2+, Cl−, Mg2+) and associated proteins. Important proteins that regulate cell excitability are voltage gated ion channels, ion transporters (e. g. Na+/K+ ATPase, magnesium transporters, acid–base transporters), membrane receptors and hyperpolarization activated cyclic nucleotide gated channels. For example, potassium channels and calcium sensing receptors are important regulators of excitability in neurons, cardiac myocytes and many other excitable cells like astrocytes. Calcium ion is also the most important second messenger in excitable cell signaling. Activation of synaptic receptors initiates long lasting changes in neuronal excitability. Thyroid, adrenal and other hormones also regulate cell excitability, for example, progesterone and estrogen modulate myometrial smooth muscle cell excitability. Many cell types are considered to have an excitable membrane. Excitable cells are neurons, muscle (cardiac, skeletal, smooth), vascular endothelial cells, pericytes, juxtaglomerular cells, interstitial cells of Cajal, many types of epithelial cells (e. g. beta cells, alpha cells, delta cells, enteroendocrine cells, pulmonary neuroendocrine cells, pinealocytes), glial cells (e. g. astrocytes), mechanoreceptor cells (e. g. hair cells and Merkel cells), chemoreceptor cells (e. g. glomus cells, taste receptors), some plant cells and possibly immune cells. Astrocytes display a form of non electrical excitability based on intracellular calcium variations related to the expression of several receptors through which they can detect the synaptic signal. In neurons, there are different membrane properties in some portions of the cell, for example, dendritic excitability endows neurons with the capacity for coincidence detection of spatially separated inputs.

Эквивалентная схема

Электрофизиологи моделируют влияние разницы ионных концентраций, ионных каналов и емкости мембраны, используя эквивалентную схему, предназначенную для представления электрических свойств небольшого участка мембраны. Эквивалентная схема состоит из конденсатора, параллельно соединенного с четырьмя путями, каждый из которых включает батарею, последовательно соединенную с переменной проводимостью. Емкость определяется свойствами липидного бислоя и считается постоянной. Каждый из четырех параллельных путей соответствует одному из основных ионов: натрию, калию, хлору и кальцию. Напряжение каждого ионного пути определяется концентрациями иона по обе стороны мембраны; см. раздел "Потенциал обращения" выше. Проводимость каждого ионного пути в любой момент времени определяется состояниями всех ионных каналов, потенциально проницаемых для этого иона, включая каналы утечки, лиганд-зависимые каналы и каналы, управляемые напряжением. При фиксированных концентрациях ионов и фиксированных значениях проводимости ионных каналов эквивалентная схема может быть дополнительно упрощена с использованием уравнения Гольдмана, как описано ниже, до схемы, содержащей конденсатор, параллельно соединенный с батареей и проводимостью. С электрической точки зрения, это тип RC-цепи (цепь сопротивления и емкости), обладающей очень простыми электрическими свойствами. Начиная с любого начального состояния, ток, протекающий через проводимость или емкость, затухает экспоненциально во времени, с постоянной времени τ = RC, где C – емкость мембранного участка, а R – общее сопротивление. Для реалистичных ситуаций постоянная времени обычно находится в диапазоне от 1 до 100 миллисекунд. В большинстве случаев изменения проводимости ионных каналов происходят в более быстром временном масштабе, поэтому RC-цепь является неточным приближением; однако дифференциальное уравнение, используемое для моделирования мембранного участка, обычно является модифицированной версией уравнения RC-цепи.

Потенциал покоя

Когда мембранный потенциал клетки остается длительное время без существенных изменений, его называют потенциалом покоя или напряжением покоя. Этот термин используется для мембранного потенциала невозбудимых клеток, но также и для мембранного потенциала возбудимых клеток в отсутствие возбуждения. В возбудимых клетках другими возможными состояниями являются градиентные мембранные потенциалы (переменной амплитуды) и потенциалы действия – резкие, кратковременные изменения мембранного потенциала, которые обычно следуют за фиксированным временным ходом. К возбудимым клеткам относятся нейроны, мышечные клетки и некоторые секреторные клетки в железах. Однако даже в других типах клеток напряжение мембраны может изменяться в ответ на внешние или внутриклеточные стимулы. Например, деполяризация плазматической мембраны, по-видимому, является важным этапом в запрограммированной клеточной смерти. Взаимодействия, генерирующие потенциал покоя, моделируются уравнением Гольдмана. Оно аналогично по форме уравнению Нернста, поскольку основано на зарядах рассматриваемых ионов, а также на разнице между их внутри- и внеклеточными концентрациями. Однако оно также учитывает относительную проницаемость плазматической мембраны для каждого рассматриваемого иона. Три иона, фигурирующие в этом уравнении, – калий (K+), натрий (Na+) и хлорид (Cl−). Кальций не включен, но может быть добавлен для ситуаций, в которых он играет значительную роль. Поскольку хлорид является анионом, его вклад рассчитывается иначе, чем вклад катионов: внутриклеточная концентрация находится в числителе, а внеклеточная – в знаменателе, что является обратным для катионов. Pi обозначает относительную проницаемость иона типа i. По сути, формула Гольдмана выражает мембранный потенциал как средневзвешенное значение потенциалов обращения для отдельных типов ионов, взвешенное по проницаемости. (Хотя мембранный потенциал изменяется примерно на 100 мВ во время потенциала действия, концентрации ионов внутри и снаружи клетки существенно не меняются. Они остаются близкими к своим соответствующим концентрациям, когда мембрана находится в состоянии покоя.) В большинстве клеток животных проницаемость для калия в состоянии покоя намного выше, чем проницаемость для натрия. Следовательно, потенциал покоя обычно близок к потенциалу обращения калия. Проницаемость для хлорида может быть достаточно высокой, чтобы быть значимой, но, в отличие от других ионов, хлорид не активно перекачивается и поэтому устанавливается в равновесии при потенциале обращения, очень близком к потенциалу покоя, определяемому другими ионами. Значения мембранного потенциала покоя в большинстве клеток животных обычно варьируются между потенциалом обращения калия (обычно около -80 мВ) и около -40 мВ. Потенциал покоя в возбудимых клетках (способных генерировать потенциалы действия) обычно составляет около -60 мВ – более деполяризованные значения привели бы к спонтанному возникновению потенциалов действия. Незрелые или недифференцированные клетки демонстрируют сильно варьирующиеся значения напряжения покоя, обычно значительно более положительные, чем в дифференцированных клетках. В таких клетках значение потенциала покоя коррелирует со степенью дифференцировки: недифференцированные клетки в некоторых случаях могут вообще не показывать разницы в трансмембранном напряжении. Поддержание потенциала покоя может быть метаболически затратным для клетки из-за необходимости активной перекачки ионов для компенсации потерь через каналы утечки. Затраты наиболее высоки, когда функция клетки требует особенно деполяризованного значения мембранного напряжения. Например, потенциал покоя в фоторецепторах, адаптированных к дневному свету, у комнатной мухи (Calliphora vicina) может достигать 30 мВ. Этот повышенный мембранный потенциал позволяет клеткам очень быстро реагировать на зрительные сигналы; цена заключается в том, что поддержание потенциала покоя может потреблять более 20% всей клеточной АТФ. С другой стороны, высокий потенциал покоя в недифференцированных клетках не обязательно влечет за собой высокие метаболические затраты. Этот кажущийся парадокс разрешается при изучении происхождения этого потенциала. Малодифференцированные клетки характеризуются чрезвычайно высоким входным сопротивлением. В нейронах потенциал действия начинается с резкого притока ионов натрия в клетку через натриевые каналы, что приводит к деполяризации, в то время как восстановление включает в себя отток ионов калия через калиевые каналы. Оба этих потока происходят посредством пассивной диффузии. Доза соли может спровоцировать все еще работающие нейроны свежего куска мяса к возбуждению, вызывая мышечные спазмы.

When the membrane potential of a cell goes for a long period of time without changing significantly, it is referred to as a resting potential or resting voltage. This term is used for the membrane potential of non excitable cells, but also for the membrane potential of excitable cells in the absence of excitation. In excitable cells, the other possible states are graded membrane potentials (of variable amplitude), and action potentials, which are large, all or nothing rises in membrane potential that usually follow a fixed time course. Excitable cells include neurons, muscle cells, and some secretory cells in glands. Even in other types of cells, however, the membrane voltage can undergo changes in response to environmental or intracellular stimuli. For example, depolarization of the plasma membrane appears to be an important step in programmed cell death. The interactions that generate the resting potential are modeled by the Goldman equation. This is similar in form to the Nernst equation shown above, in that it is based on the charges of the ions in question, as well as the difference between their inside and outside concentrations. However, it also takes into consideration the relative permeability of the plasma membrane to each ion in question. The three ions that appear in this equation are potassium (K+), sodium (Na+), and chloride (Cl−). Calcium is omitted, but can be added to deal with situations in which it plays a significant role. Being an anion, the chloride terms are treated differently from the cation terms; the intracellular concentration is in the numerator, and the extracellular concentration in the denominator, which is reversed from the cation terms. Pi stands for the relative permeability of the ion type i. In essence, the Goldman formula expresses the membrane potential as a weighted average of the reversal potentials for the individual ion types, weighted by permeability. (Although the membrane potential changes about 100 mV during an action potential, the concentrations of ions inside and outside the cell do not change significantly. They remain close to their respective concentrations when then membrane is at resting potential.) In most animal cells, the permeability to potassium is much higher in the resting state than the permeability to sodium. As a consequence, the resting potential is usually close to the potassium reversal potential. The permeability to chloride can be high enough to be significant, but, unlike the other ions, chloride is not actively pumped, and therefore equilibrates at a reversal potential very close to the resting potential determined by the other ions. Values of resting membrane potential in most animal cells usually vary between the potassium reversal potential (usually around 80 mV) and around 40 mV. The resting potential in excitable cells (capable of producing action potentials) is usually near 60 mV—more depolarized voltages would lead to spontaneous generation of action potentials. Immature or undifferentiated cells show highly variable values of resting voltage, usually significantly more positive than in differentiated cells. In such cells, the resting potential value correlates with the degree of differentiation: undifferentiated cells in some cases may not show any transmembrane voltage difference at all. Maintenance of the resting potential can be metabolically costly for a cell because of its requirement for active pumping of ions to counteract losses due to leakage channels. The cost is highest when the cell function requires an especially depolarized value of membrane voltage. For example, the resting potential in daylight adapted blowfly (Calliphora vicina) photoreceptors can be as high as 30 mV. This elevated membrane potential allows the cells to respond very rapidly to visual inputs; the cost is that maintenance of the resting potential may consume more than 20% of overall cellular ATP. On the other hand, the high resting potential in undifferentiated cells does not necessarily incur a high metabolic cost. This apparent paradox is resolved by examination of the origin of that resting potential. Little differentiated cells are characterized by extremely high input resistance,

In neuronal cells, an action potential begins with a rush of sodium ions into the cell through sodium channels, resulting in depolarization, while recovery involves an outward rush of potassium through potassium channels. Both of these fluxes occur by passive diffusion. A dose of salt may trigger the still working neurons of a fresh cut of meat into firing, causing muscle spasms.