БИОПОТЕНЦИА́ЛЫ

БИОПОТЕНЦИА́ЛЫ (био­ло­ги­че­ские по­тен­циа­лы), элек­трич. по­тен­циа­лы, су­ще­ст­вую­щие во всех жи­вых клет­ках. Об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те раз­де­ле­ния элек­трич. за­ря­дов на кле­точ­ной мем­бра­не, т. к. ос­но­ву мем­бра­ны со­став­ля­ют фос­фо­ли­пи­ды, пре­пят­ст­вую­щие сво­бод­ной диф­фу­зии ио­нов. Кон­цен­тра­ция ио­нов ка­лия внут­ри нерв­ной или мы­шеч­ной клет­ки при­мер­но в 50 раз вы­ше, чем сна­ру­жи. На­про­тив, вне­кле­точ­ная жид­кость со­дер­жит на­мно­го боль­ше ио­нов на­трия, каль­ция и хло­ра. Ион­ная асим­мет­рия под­дер­жи­ва­ет­ся бла­го­да­ря на­ли­чию в мем­бра­не двух ти­пов бел­ко­вых вклю­че­ний: ка­на­лов, че­рез ко­то­рые оп­ре­де­лён­ные ти­пы ио­нов мо­гут пе­ре­ме­щать­ся пу­тём диф­фу­зии в со­от­вет­ст­вии с кон­цен­тра­ци­он­ным гра­ди­ен­том, и ион­ных на­со­сов, ко­то­рые при оп­ре­де­лён­ных энер­ге­тич. за­тра­тах пе­ре­но­сят ио­ны про­тив кон­цен­тра­ци­он­но­го гра­ди­ен­та. Т. о. соз­да­ёт­ся и под­дер­жи­ва­ет­ся раз­ность по­тен­циа­лов ме­ж­ду внут­рен­ней (за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но) и на­руж­ной (за­ря­же­на по­ло­жи­тель­но) по­верх­но­стя­ми мем­бра­ны клет­ки, т. е. мем­бран­ный по­тен­ци­ал, ам­пли­ту­да ко­то­ро­го обыч­но со­став­ля­ет от –50 до –90 мВ. Та­кое рав­но­вес­ное со­стоя­ние на­зы­ва­ют так­же по­тен­циа­лом по­коя, в от­ли­чие от от­но­си­тель­но крат­ко­врем. ко­ле­ба­ний уров­ня по­тен­циа­ла, воз­ни­каю­щих вслед­ст­вие из­ме­не­ния про­ни­цае­мо­сти ион­ных ка­на­лов, что вле­чёт за со­бой уве­ли­че­ние (или умень­ше­ние) по­то­ка оп­ре­де­лён­ных ио­нов че­рез мем­бра­ну.

Пе­ре­ход ион­ных ка­на­лов из за­кры­то­го в от­кры­тое со­стоя­ние управ­ля­ет­ся из­ме­не­ния­ми мем­бран­но­го по­тен­циа­ла или хи­мич. ве­ще­ст­ва­ми, в т. ч. ме­диа­то­ра­ми. Так, аце­тил­хо­лин от­кры­ва­ет для ка­тио­нов спе­ци­фич. ион­ные ка­на­лы в мем­бра­не мы­шеч­ной клет­ки – хо­ли­но­ре­цеп­то­ры, вслед­ст­вие че­го умень­ша­ет­ся раз­ность по­тен­циа­лов (де­по­ля­ри­за­ция мем­бра­ны). Бы­строе ко­ле­ба­ние мем­бран­но­го по­тен­циа­ла на­зы­ва­ют воз­бу­ж­даю­щим по­тен­циа­лом. Ес­ли эта де­по­ля­ри­за­ция дос­ти­га­ет оп­ре­де­лён­но­го по­ро­га, то по­тен­ци­ал­за­ви­си­мые на­трие­вые ка­на­лы на ко­рот­кое вре­мя пе­ре­хо­дят в от­кры­тое со­стоя­ние, по­ро­ж­дая по­тен­ци­ал дей­ст­вия, дос­ти­гаю­щий зна­че­ний от –90 до –120 мВ. Про­дол­жи­тель­ность его дей­ствия ма­ла (ок. 1,5 мс), т. к. вме­сте с на­трие­вы­ми от­кры­ва­ют­ся по­тен­ци­ал­за­ви­си­мые ка­лие­вые ка­на­лы, что ве­дёт к вос­ста­нов­ле­нию ис­ход­но­го уров­ня мем­бран­но­го по­тен­циа­ла (ре­по­ля­ри­за­ции), и клет­ка вновь ста­но­вит­ся спо­соб­ной ге­не­ри­ро­вать по­тен­ци­ал дей­ст­вия в от­вет на де­по­ля­ри­зую­щий сиг­нал. Т. о., по­тен­ци­ал дей­ст­вия спо­со­бен бы­ст­ро и без по­те­ри ам­пли­ту­ды рас­про­стра­нять­ся вдоль мы­шеч­ных во­ло­кон или ак­со­нов нерв­ных кле­ток, тем са­мым за­пус­кая мы­шеч­ное со­кра­ще­ние или осу­ще­ст­в­ляя пе­ре­да­чу сиг­на­лов по нер­ву. В во­лок­нах сер­деч­ной мыш­цы дли­тель­ность по­тен­циа­ла дей­ст­вия дос­ти­га­ет 90–600 мс, в его ге­не­ра­ции при­ни­ма­ют уча­стие так­же по­тен­ци­ал­за­ви­си­мые каль­цие­вые ка­на­лы. Это яв­ля­ет­ся не­пре­мен­ным ус­ло­ви­ем син­хрон­ной и рит­мич­ной со­кра­ти­тель­ной дея­тель­но­сти кле­ток мио­кар­да, обес­пе­чи­ваю­щей на­сос­ную функ­цию серд­ца. Ес­ли ме­диа­тор управ­ля­ет от­кры­ти­ем ка­лие­вых или хлор­ных ка­на­лов для ио­нов K⁺ и Cl^–, то про­ис­хо­дит ги­пер­по­ля­ри­за­ция клет­ки. Ам­пли­ту­да мем­бран­но­го по­тен­циа­ла крат­ко­вре­мен­но уве­личи­ва­ет­ся, т. е. по­яв­ля­ют­ся тор­моз­ные сиг­на­лы, при­во­дя­щие к сни­же­нию воз­бу­ди­мо­сти клет­ки. Из­ме­не­ния мем­бран­но­го по­тен­циа­ла мо­гут вы­зы­вать­ся так­же пу­тём ак­ти­ва­ции ка­на­лов ме­ха­нич. воз­дей­ст­вия­ми, фо­то­на­ми све­та, из­ме­не­ния­ми тем­пе­ра­ту­ры, сдви­га­ми рН вне­кле­точ­ной жид­ко­сти. В клет­ках, мем­бра­на ко­то­рых снаб­же­на чув­ст­ви­тель­ны­ми к по­доб­ным воз­дей­ст­ви­ям ка­на­ла­ми, воз­ни­ка­ют по­тен­циа­лы, даю­щие на­ча­ло спе­ци­фич. ощу­ще­ни­ям (слух, вкус, зре­ние, ося­за­ние, боль, оп­ре­де­ле­ние по­ло­же­ния те­ла и его час­тей в про­стран­ст­ве, вос­при­ятие те­п­ла и хо­ло­да). Не­рав­но­мер­ное рас­пре­де­ле­ние ио­нов по обе сто­ро­ны кле­точ­ной мем­бра­ны оп­ре­де­ля­ет при­ро­ду Б. и в рас­тит. клет­ках. Воз­ник­но­ве­ние мед­лен­но из­ме­няю­щих­ся Б. в клет­ках рас­те­ний в боль­шей ме­ре оп­ре­де­ля­ет­ся ио­на­ми каль­ция или хло­ра.

Б. мо­гут быть из­ме­ре­ны в экс­пе­ри­мен­те внут­ри­кле­точ­ны­ми мик­ро­элек­тро­да­ми. Ре­зуль­та­ты та­ких из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют­ся при ис­сле­до­ва­нии раз­но­об­раз­ных фи­зио­ло­гич. функ­ций. С по­мо­щью по­верх­но­ст­ных элек­тро­дов вне клет­ки мо­гут ре­ги­ст­ри­ро­вать­ся сум­мар­ные из­ме­не­ния Б. боль­шо­го чис­ла ак­тив­ных в дан­ный мо­мент кле­ток (це­лых нер­вов, мышц, моз­га и т. п.). Из­ме­ре­ния Б. име­ют важ­ное ди­аг­но­стич. зна­че­ние. Так, элек­тро­мио­грам­ма пред­став­ля­ет со­бой ре­зуль­тат сло­же­ния по­тен­циа­лов дей­ст­вия мно­же­ст­ва ске­лет­ных мы­шеч­ных во­ло­кон; элек­тро­кар­дио­грам­ма – сум­ми­ру­ет ко­ле­ба­ния Б. мы­шеч­ных кле­ток серд­ца; элек­тро­эн­це­фа­ло­грам­ма – Б. структур моз­га; элек­тро­ре­ти­но­грам­ма да­ёт пред­став­ле­ние о ра­бо­те сет­чат­ки гла­за. См. так­же Био­ло­ги­че­ские мем­бра­ны, Ион­ные ка­на­лы, Ион­ные на­со­сы.