Потенціал спокою: як і навіщо

Перша стаття в серії «Основи фізіології людини і тварин». Обговорюються основні поняття, докладно йдеться про найважливішому властивості живих клітин - наявність потенціалу спокою.

Чи замислювалися ви коли-небудь, наскільки досконалою системою є людський організм? Все в ньому впорядковано до дрібниць, і якщо спробувати вникнути в процеси, що відбуваються в нашому тілі за одну секунду, можна випробувати непомірне здивування. Чим більше дізнаєшся про те, наскільки точно і продумано діє кожна окремо взята клітина, тим більше переконуєшся у величі матінки-природи.

Перш ніж заглиблюватися в подробиці будови і роботи людського тіла, варто уточнити, про який рівень організації піде мова. Наше тіло - складна ситема, яку можна розділити на відділи - системи органів, що складаються, в свою чергу, з клітин. І кожна окрема клітина є не менш складно влаштованої системою. Оскільки основи анатомії проходять в школі, набагато цікавіше буде говорити про більш дрібних складових нашого тіла - про клітинах. Механізми, які забезпечують їх життєдіяльність - це хімічні і фізичні взаємодії різних речовин між собою. На сьогоднішній день завдяки розвитку молекулярних методів про це відомо вже досить багато, але деякі загадки досі не вирішені.

Зв`язок в єдине ціле величезної кількості структур різного розміру - від клітини до цілого органа - забезпечується в першу чергу таку властивість живого, як збудливість, тобто здатність переходити в стан фізіологічної активності під впливом якихось зовнішніх подразників. Всі клітини організму людини і тварин в тій чи іншій мірі збудливі. Відповіддю на будь-яке подразнення в кінцевому рахунку завжди є якогось роду рух.

Збудливі клітини володіють трьома важливими властивостями - швидше за фізичними, ніж чисто біологічними. Це наявність у них двох потенціалів, спокою і дії, і провідності - властивості передавати сигнал. Електріческтй потенціал клітини забезпечується різною концентрацією іонів по обидві сторони плазматичної мембрани. Те, що мембрана живої клітини напівпроникності (тобто пропускає певні іони, а інші не пропускає), було відомо ще в кінці 19 століття. Пізніше стали відомі механізми транспорту молекул і іонів в і з клітки.

Клітинна мембрана - це подвійний шар фосфоліпідів. Це полярні органічні сполуки, у яких виділяється два кінця - гідрофільна (добре взаємодіє з водою) головка і два гідрофобних (відштовхують молекули води) хвоста. У складі мембрани головки одних фосфоліпідів звернені в зовнішнє для клітини середу, а інших - в її цитоплазму. Хвости таким чином виявляються посередині. Крім фосфоліпідів до складу мембрани входять гліколіпіди і холестерол, що є близькими до фосфоліпідів сполуками. В ліпідний шар вбудовуються білки, які виконують транспортні, захисні і рецепторні функції.

Така будова мембрани якраз і забезпечує її виборчу проникність для різних молекул.

Електричний потенціал утворюється сукупністю так званих потенціал-утворюючих іонів. Це хімічні частинки, що несуть електричний заряд. Найважливішими з них є прості іони: калій (К +), натрій (Na +), хлор (Cl-) і кальцій (Ca +).

Основним іоном, який забезпечує потенціал спокою, є калій, оскільки проникність мембрани для нього набагато вище, ніж для інших іонів. Завдяки дифузії (так званий пасивний транспорт) калій вільно проходить через мембрану. Він йде по градієнту концентрації - тобто звідти, де концентрація більше, туди, де концентраціяменьше. Оскільки в клітці його концентрація більше приблизно в сорок разів, він виходить назовні. Раз калій рухається вільно, рано чи пізно повинно встановитися рівновагу по різні боки мембрани. Цього не відбувається через роботу спеціальної системи активного транспорту. Ця система викачує з клітини надлишок іонів натрію.

Справа в тому, що натрій вільно проникає через мембрану клітку тільки в невеликих кількостях - для нього проникність мембрани низька. До того ж, у зовнішньому середовищі його більше, тому транспорт повинен йти проти градієнта концентрації - а значить, з витратами енергії.

Потрібно це для підтримки постійної електронегативності, тому що наявність потенціалу спокою робить клітину готової до порушення, фізіологічної активності. А якщо натрій НЕ буде викачуватися, калій не зможе потрапити назад, і заряд на мембрані буде зменшуватися.

Активний транспорт здійснюється спеціальним білком в мембрані збудливою клітини. Він називається калій-натрій-залежна АТФаза. Завдяки своїй структурі білок здатний обертатися в мембрані і обмінювати натрій на калій. Натрій залишиться зовні, калій буде поступово виходити.

Ця система отримала назву калій-натрієвого насоса. На її функціонування витрачається до 20% енергії живої клітини. Це дуже важливо: при блокації цього насоса, що може бути викликано деякими токсинами, клітини втрачають здатність до збудження, і наслідки можуть бути дуже серйозні для всього організму.

В ембріональному розвитку справжній потенціал спокою з`являється у клітин тільки тоді, коли повністю сформований калій-натрієвий насос. Дехто з фізіологів вважає, що саме з цього моменту - а зовсім не з першого удару серця - слід вважати ембріон живим.

І калій, і натрій заряджені позитивно, тому зовні клітини в результаті створюється позитивний заряд, а зсередини - негативний. Різниця зарядів і створює на мембрані потенціал спокою, в різних клітинах він має різне значення. Середнє (для теплокровних) - мінус 60 мілівольтах, а в самих збудливих клітинах - нервових - до мінус 90.

Таким чином, електрохімічний потенціал, створюваний іонами калію і натрію, є одним з основних властивостей збудливих живих клітин. Іони хлору і кальцію відіграють велику роль у формуванні вже іншого потенціалу - потенціалу дії.

деякі уточнення

1. Для клітини зовнішнім середовищем є, природно, не така для всього організму, а міжклітинний речовина або якась порожнина всередині тіла.

2. Далі - гірше! Якщо вам цікаво вивчення фізіології, будьте готові до того, що зрозуміти суть процесів ще можна, а ось усвідомити, як же так вийшло і хто це все влаштував настільки точно - це вже складно. Але вражає цікаво.