С - концентрация

Ионы Na⁺ и К⁺ в живой клетке, находящейся в состоянии покоя, также перемещаются через мембрану согласно законам диффузии, при этом К⁺ из клетки выходит в значительно большем количестве, чем входит Na⁺ в клетку, поскольку проницаемость клеточной мембраны для К⁺ примерно в 25 раз больше проницаемости для Na⁺.

Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрицательный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицательный заряд практически одинаков. Об этом свидетельствует одинаковая величина ПП при введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анионов, чем катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны.

Калий является главным ионом, обеспечивающим формирование ПП. Об этом свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации ионов К⁺ в перфузате ПП снижается, при увеличении их концентрации ПП повышается. В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К⁺. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному градиенту К⁺ стремится выйти из клетки, отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К⁺ сравнивается с числом входящих ионов К⁺ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный потенциал.

Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного иона, находящегося снаружи, в формуле Нернста записывается в числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе. Для отрицательно заряженных ионов расположение противоположное.

где E_ion - потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая постоянная (8,31 Дм); Т - абсолютная температура (273+37°С); Z -валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65 х 10⁴); [ion] _i - концентрация иона внутри клетки inside; [ion] _o - концентрация иона во внешней среде клетки outside. Равновесный потенциал иона Na⁺ у нервных клеток E_Na = +55 мВ, иона калия Е E_k ⁼ -70 мВ.

Вклад Na⁺ и Cl ^- в создание ПП. Проницаемость клеточной мембраны в покое для иона Na⁺ очень низкая, намного ниже, чем для иона К⁺, тем не менее она имеется, поэтому ионы Na⁺ согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, так как на внешней поверхности - клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na⁺. Вход иона Na⁺ внутрь клетки снижает ПП. Влияние Cl^- на величину ПП противоположно и зависит от проницаемости клеточной мембраны для ионов Cl^-. Дело в том, что ион Cl^-, согласно концентрационному градиенту, стремится и проходит в клетку. Препятствует входу иона Cl^- в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Cl^-. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу иона Cl^- в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу иона Cl^- в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация ионов Cl^- значительно меньше внеклеточной. При поступлении иона Cl^- внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: ион Cl^- добавляется к крупным, белковой природы анионам, находящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки - в интерстиций. Таким образом, ион Cl^-, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, ионы Na⁺ и Cl^- внутри клетки нейтрализуют друг друга. Вследствие этого совместное поступление ионов Na⁺ и Cl^- внутрь клетки не сказывается существенно на величине ПП.

В. Определенную роль в формировании ПП играют поверхностные заряды самой клеточной мембраны и ионы Са²⁺ Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны: гликолипиды, фосфюлипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, снижают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП.

Роль ионов Са²⁺ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и нейтрализуют их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.

Таким образом, ПП - это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но также алгебраическая сумма отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой мембраны.

При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают равным нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды нейрона, как отмечалось, составляет величину порядка -60-80 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для ионов К⁺ и Na⁺ уменьшается, ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ишемии ткани. У сильно поврежденных клеток ПП может снизиться до уровня донанновского равновесия, когда концентрация внутри и вне клетки будет определяться только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в состоянии покоя клетки, что может привести к нарушению электрической активности нейронов. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту, однако ПП не нарушается.