Еще в 1896 г. В. Ю. Чаговец высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштейном была развита мембранно-ионная теория, которую модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949—1952). В настоящее время последняя теория пользуется всеобщим признанием. Согласно указанной теории, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено неравенством концентрации ионов Na⁺, K⁺, Са ²⁺ и С1~ внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.
Из данных табл. 1 видно, что содержимое нервного волокна богато К ⁺ и органическими анионами (практически не проникающими через мембрану) и бедно Na ⁺ и С1~.
Концентрация К⁺ в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40—50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу (Ек), рассчитанному по формуле Нернста.
Представим сосуд, разделенный искусственной полупроницаемой мембраной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они пропускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда налит солевой раствор, содержащий ионы К⁺, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вследствие этого концентрационного градиента ионы К ⁺ начинают диффундировать из правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это приводит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда.
Своим отрицательным зарядом они электростатически будут удерживать К ⁺ у поверхности мембраны в левой половине сосуда. В результате мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями создается разность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу (£к).
Предположение о том, что в состоянии покоя мембрана нервных и мышечных волокон избирательно проницаема для К ⁺ и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара.
Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К ⁺ в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанавливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50-=— 80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К. ⁺ потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К⁺ была выше, чем во внутреннем).
Такие опыты показали, что концентрированный градиент К ⁺ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Однако покоящаяся мембрана проницаема не только для К ⁺, но (правда, в значительно меньшей степени) и для Na⁺. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клетки, создаваемого диффузией К⁺. Поэтому потенциал покоя волокон (—50 – 70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный потенциал.
Ионы С1~ в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В отличие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия С1~ внутрь клетки увеличивает значение потенциала покоя. Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами:
Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при E m = —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:
Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относятся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батрахотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.
Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной PNA, если повысить наружную концентрацию ионов К ⁺ (т. е. увеличить отношение Ko/Ki). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом.
Дело в том, что концентрация К ⁺ в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Р к. Особенно значительно возрастает концентрация К ⁺ в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению генерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.
