Потенциал покоя и потенциал действия

Толщина мембраны нейрона приблизительно 8 нм. Мембрана проницаема для ионов хлора, натрия, калия и непроницаема для крупных отрицательных ионов. Кроме того, мембрана проницаема для воды и других мелких молекул. Такая проницаемость мембраны позволяет клетке экономить энергию. Потому что при абсолютно непроницаемой мембране доставку в клетку и удаление из клетки воды и других мелких молекул пришлось бы производить с затратами энергии.


В состоянии покоя (равновесия) на наружной стороне мембраны нейрона расположены положительные заряды, а отрицательные заряды расположены на внутренней стороне мембраны. Заряды на мембране создают разность потенциалов приблизительно 75 мВ, которую принято называть потенциалом покоя. Этот потенциальный барьер необходим для того, чтобы поддерживать различие концентраций ионов внутри и вне клетки при проницаемой мембране.


Заряды находятся на мембране благодаря двум основным факторам. Во-первых, более высокой концентрации положительных ионов в клетке, чем вне её. Во-вторых, наличием крупных отрицательных ионов, которые не могут покинуть клетку. Вышедший из клетки положительный ион притягивается оставшимся внутри клетки отрицательным ионом и оба они фиксируются на мембране, образуя диполь длиной примерно с толщину мембраны, т.е. 8 нм.


Ионы в диполе очень крепко связаны. Чтобы разрушить диполь, требуется энергия, которая примерно в 5 раз больше средней кинетической энергии частиц раствора. Поэтому удалить заряды с мембраны совсем не просто. Это свойство заряженной мембраны позволяет измерять потенциал покоя методом внеклеточного отведения.


Так как любая клетка возникла в результате деления другой клетки, то она изначально имеет заряды на мембране и соответствующие концентрации ионов. Поэтому в естественных условиях вопроса о создании должных концентраций ионов и формировании заряда на мембране нет. Клетке достаточно иметь только механизмы для сохранения данного ей равновесия.


Войти в клетку в результате диффузии могут положительные ионы с любой энергией. Выйти же из клетки в результате диффузии могут лишь те положительные ионы, кинетическая энергия которых больше eU. Здесь e – заряд электрона, U – разность потенциалов на мембране. Условно можно считать, что внутри клетки два идеальных газа. Один холодный, с энергией положительных ионов меньше eU, а другой горячий, с энергией положительных ионов больше eU. Диффузионный поток положительных ионов из клетки создаёт только горячий газ положительных ионов. Холодные положительные ионы покинуть клетку в результате диффузии не могут. Аналогично, диффузионный поток отрицательных ионов в клетку создаёт только горячий газ отрицательных ионов.


Из распределения Максвелла известно, что концентрация N ионов с энергией больше eU равна

      N = n exp(-eU/kT)

n – концентрация ионов, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура. При равновесии входящие и выходящие потоки ионов каждого вида равны. Потоки, в свою очередь, пропорциональны концентрациям ионов, способных создавать эти потоки. Поэтому равенство этих потоков для каждого вида ионов выглядит так

      [Na]_нар = [Na]_вн exp(-eU/kT)
      [K]_нар = [K]_вн exp(-eU/kT)
      [Cl]_вн = [Cl]_нар exp(-eU/kT)

[Na]_нар, [K]_нар, [Cl]_нар – внеклеточные концентрации ионов натрия, калия и хлора. [Na]_вн, [K]_вн, [Cl]_вн – внутриклеточные концентрации ионов натрия, калия и хлора. Фактически это уравнения Нернста для каждого вида ионов, только записанные несколько иначе. При разности потенциалов 75 мВ и температуре 300 К получается

      [Na]_вн  ~ 18 [Na]_нар
      [K]_вн  ~ 18 [K]_нар
      [Cl]_нар  ~ 18 [Cl]_вн

Это означает, что внутриклеточная концентрация, например, ионов калия в 18 раз выше внеклеточной концентрации ионов калия, но тем не менее, благодаря потенциальному барьеру никакого вытекания ионов калия из клетки «по градиенту концентрации» нет. Поэтому нет необходимости закачивать в клетку ионы калия, чтобы поддерживать их высокую внутриклеточную концентрацию.


Для аксона кальмара реальные отношения концентраций согласно Ходжкину

      [Na]_вн  ~  1/9  [Na]_нар 
      [K]_вн  ~ 20 [K]_нар
      [Cl]_нар  ~ 9 [Cl]_вн.

Как видно, они отличаются от полученных из уравнений Нернста. Реальная внутриклеточная концентрация ионов натрия вообще в 9 раз меньше внеклеточной концентрации ионов натрия. Одними погрешностями измерений такой казус не объяснить.


Согласно общепризнанным на сегодняшний день представлениям экспериментально доказано существование ионного насоса, который откачивает из клетки поступающие туда в результате диффузии ионы натрия и таким образом поддерживает нужную концентрацию ионов натрия в клетке. Для этого насос должен работать постоянно и постоянно расходовать энергию. Альтернативные варианты отвергаются без рассмотрения как заведомо нереальные. Ниже предлагается один из них.


Помимо массы ионы натрия и калия отличаются только размерами гидратированных ионов. Радиус гидратированного иона натрия (0,33 нм) больше, чем радиусы гидратированных ионов калия (0,285 нм) и хлора (0,228 нм). Это даёт надежду на возможность такой поры в мембране, которая бы уменьшала равновесный поток ионов натрия в клетку больше, чем равновесный поток ионов натрия из клетки, и при этом мало влияла на потоки ионов калия и хлора. Тогда уравнение равенства потоков ионов натрия выглядело бы следующим образом

      a[Na]_нар = b[Na]_вн exp(-eU/kT)

Здесь a и b некие коэффициенты. Такая пора с несимметричной проницаемостью позволила бы получить реально наблюдаемую концентрацию ионов натрия в клетке.


В состоянии равновесия расстояние между зарядами на поверхности мембраны порядка 30 нм. Распределены они равномерно. Поэтому мембрану можно условно поделить на кирпичики 30*30*8 нм, в вершинах которых расположены ионы. Очевидно, что поле в мембране, создаваемое точечными зарядами, не может быть однородным. Более того, из-за тепловых колебаний ионов, которые создают это поле, оно меняется во времени.


Мембрана нейрона должна обладать свойством менять свою проницаемость скачком при конкретной разности потенциалов на мембране. Согласно существующим представлениям эту функцию выполняют специальные белки, которые принято называть селективными потенциалзависимыми ионными каналами. Термин «селективный» означает, что такой канал пропускает только один вид ионов. Например, только калий. Механизм селекции не известен.


Порядок среднего поля на траектории иона при прохождении через мембрану можно оценить по разности потенциалов U=75 мВ и толщине мембраны L=8 нм.

      E = U/L ~ 10^7 В/м

Точечный заряд e создаёт такое поле на расстоянии r ~ 12 нм.


Это означает, что положительный ион, находящийся вне клетки на расстоянии 8 нм от поверхности мембраны, создаёт в середине мембраны поле, примерно равное среднему полю на траектории проходящего иона. Фактически поле на траектории проходящего иона увеличивается примерно в два раза. А отрицательный ион на том же месте уменьшит фактическое поле практически до нуля. И в том и в другом случае потенциалчувствительный элемент ионного канала не должен реагировать, т.е. открывать или закрывать канал. Он также не должен реагировать на изменения поля, вызванные колебаниями ионов, которые создают это поле. Очевидна необходимость усреднять поле по времени и пространству. В этих условиях потенциалчувствительный элемент должен иметь размеры не меньше кирпичика. Но габариты заявленных на эту роль белков меньше кирпичика и усреднять поле они не могут. Отсюда следует, что потенциалчувствительным элементом может быть только сам кирпичик, в котором при определённых условиях образуется липидная пора.


Мембрана представляет собой упорядоченную структуру из двух слоёв липидов. Ионы диполей притягиваются друг к другу и деформируют мембрану. А так как положительные головки липидов ориентированы наружу мембраны, то внешняя и внутренняя стороны мембраны будут деформироваться по-разному. При определённой плотности зарядов на мембране в центре кирпичика образуется липидная пора в виде воронки, у которой широкая часть обращена внутрь клетки. По мере увеличения плотности зарядов на мембране размер узкой части воронки сначала будет увеличиваться, а потом уменьшаться. Таким образом при равновесной разности потенциалов на мембране размер узкой части поры увеличивается при уменьшении поля и, наоборот, уменьшается при его увеличении.


Атомы, образующие липидную пору, всё время двигаются под воздействием различных сил. Поэтому размер узкой части поры тоже колеблется вблизи среднего значения. Если средний размер липидной поры достаточно меньше размера гидратированного иона натрия, то мембрана проницаема для ионов калия и хлора, но непроницаема для ионов натрия. Если средний размер липидной поры достаточно больше размера гидратированного иона натрия, то мембрана проницаема для ионов натрия, калия и хлора. Если средний размер узкой части липидной поры будет равен размеру гидратированного иона натрия, то пройти через пору смогут не все ионы натрия, которые могли бы, а только те, которые угадали в момент, когда размер узкой части поры больше среднего. Но это равносильно простому снижению проницаемости мембраны для ионов натрия и само по себе не может повлиять на равновесные концентрации ионов натрия.


Благодаря усреднению поля, движение ионов вблизи липидной поры не влияет на средний размер поры, но реальный размер поры при этом отклоняется от среднего значения достаточно, чтобы повлиять на вероятность прохождения иона через мембрану. Поле иона натрия, пытающегося попасть в клетку, складывается с полем в мембране, размер узкой части поры уменьшается и, соответственно, уменьшается вероятность поступления гидратированного иона натрия в клетку. Поле пытающегося выйти из клетки иона натрия вычитается из поля в мембране, поэтому вероятность выхода увеличивается. Таков механизм несимметричной проницаемости липидной поры для ионов натрия.На прохождение через мембрану ионов калия и хлора липидная пора влияет значительно меньше, так как размеры их гидратированных ионов меньше, чем у натрия. Таким образом липидная пора обеспечивает наблюдаемую разность потенциалов на мембране и наблюдаемые концентрации ионов без затрат энергии, без гипотетических ионных насосов и без гипотетических ионных каналов.


Нейрон помимо всего прочего должен возбуждаться от локальных внешних воздействий и генерировать нервный импульс, который принято называть потенциалом действия. Липидная пора успешно справляется с этой задачей. При локальном уменьшении поля увеличивается средний размер узкой части поры. Соответственно увеличивается поток ионов натрия в клетку, который ещё больше уменьшает поле. Эта положительная обратная связь обеспечивает крутой передний фронт нервного импульса. Снижение потенциального барьера приводит к выходу из клетки ионов калия и входу в клетку ионов хлора, которые совместными усилиями восстанавливают локальное равновесие. Но фронт ионов натрия продолжает двигаться вдоль мембраны и подпитываться за счёт локального уменьшения поля по пути следования. Таким образом, нервный импульс распространяется со скоростью звука.


Особо следует отметить, что для генерации потенциала действия достаточно увеличить только локальный поток ионов натрия в клетку. Поэтому нет никакой нужды в калиевых и других селективных потенциалзависимых каналах, а гипотезу об их существовании необходимо признать избыточной.


Описанный выше механизм потенциала покоя не является полным. Потому что несимметричная проницаемость клеточной мембраны обусловлена не только липидной порой, но и другими факторами.

Примечания.
1. Чтобы написать рецензию (комментарий) или личное сообщение автору, следует зарегистрироваться на Proza.ru.
2. Список публикаций автора.
Реальная физическая картина мира
Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Каца
Национальная идея на ближайшую перспективу
Материальный бог
Коронавирус и другие технологии
Пропиконазол. Память. Другие технологии
Глимфатическая система. Иммунитет
Температура тела и интеллект
Потенциал покоя и потенциал действия
Риторический вопрос
Несимметричная проницаемость клеточной мембраны
3. У человечества есть только одна проблема. Создать и внедрить другие технологии, которые кардинально отличаются от технологий машинного производства. Если мы не сумеем сделать это сейчас, то нас ждёт неминуемая погибель. Вот эту мысль я и пытаюсь выразить публикациями.