Мембранный потенциал в аксоне кальмара: общие сведения
Гипотеза о том, что в основе мембранного потенциала лежит различие между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями калия , была впервые высказана Бернштейном в 1902г. Ему не удалось проверить свое предположение экспериментально, поскольку в то время не существовало способа измерения мембранного потенциала. В наши дни можно с высокой точностью измерить мембранный потенциал, а также убедиться в том, что изменения концентрации калия внутри и снаружи клетки приводят к изменениям мембранного потенциала в соответствии с предсказаниями уравнения Нернста .
Впервые такие измерения были проведены на гигантском аксоне кальмара (одиночном нервном волокне). Аксон этот достигает 1 мм в диаметре, что позволяет вводить в него электроды для прямого измерения мембранного потенциала ( рис. 5.З А). Более того, аксон кальмара удивительно живуч и продолжает функционировать, даже если из него выдавить цитоплазму с помощью резинового валика и заменить ее на перфузионный раствор ( рис. 5.3 В и С). У исследователя есть возможность контролировать ионный состав как внеклеточного, гак и внутриклеточного растворов. A.Л. Ходжкин вместе с А.Ф. Хаксли, впервые поставившие многие эксперименты на аксоне кальмара (за которые они позже были удостоены Нобелевской премии), однажды сказал: "Можно утверждать, что введение Юнгом в 1936 году препарата аксона кальмара имело для науки об аксоне большее значение, чем какое-либо другое открытие, сделанное за последние 40 лет. Один выдающийся нейрофизиолог заметил недавно во время ужина на одном конгрессе (не самым тактичным образом, должен признать): "Если чесгно, нобелевсную премию нужно было присвоить кальмару".
Концентрации основных ионов в крови кальмара, а также в цитоплазме его аксона, приведены в табл. 5.1 (такие ионы, как магний и внутриклеточные анионы , опущены). Эксперименты на изолированном аксоне обычно проводятся в морской воде, соотношение концентраций калия во внутриклеточной и внеклеточной средах составляет при этом 40:1.
Если бы мембранный потенциал был равен равновесному потенциалу для калия , его значение было бы -93 мВ. В действительности мембранный потенциал гораздо менее отрицателен (от -65 до -70 мВ). С другой стороны, это значение более отрицательно, чем равновесный потенциал для хлора (+55 мВ).
Гипотеза Бернштейна была проверена путем измерения потенциала покоя и сравнения его с калиевым равновесным потенциалом при различных значениях внеклеточной концентрации калия. Заметим, что, как и в случае модели идеальной клетки , изменения уровня калия снаружи не влекут за собой значительных изменений его внутриклеточной концентрации. Из уравнения Нернста следует, что изменение концентрационного градиента в 10 раз при комнатной температype приведет к изменению мембранного потенциала на 58 мВ. Результат эксперимента по варьированию внеклеточного уровня калия показан на рис. 5.3 А . На оси абсцисс представлен логарифм внеклеточной концентрации калия, а на оси ординат - мембранный потенциал. Теоретически предсказанный угол наклона кривой (соответствующий изменению потенциала на 58 мВ при десятикратном изменении концентрации и показанный прямой линией) в действительности достигается лишь при сравнительно высоких концентрациях. Чем ниже концентрация калия, тем меньше угол наклона кривой. Данные показывают, что распределение ионов калия не является единственным фактором, формирующим мембранный потенциал.
