Мембранная гипотеза Бернштейна
В соответствии с теорией Аррениуса, опираясь на идеи Оствальда и исследования явлений осмоса, Бернштейн предположил, что возникновение и проведение нервного импульса обусловлено перемещением ионов между нервным волокном и внеклеточной средой.
Именно Бернштейн, работая тогда вместе с Германом, доказал прямыми экспериментами, что возбуждённый участок поверхности мышцы или нерва на очень короткий промежуток времени приобретает потенциал, отрицательный по отношению к невозбуждённой или неповреждённой поверхности.
В 1902 году Юлиус Бернштейн (Bernstein, 1839–1917) выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К+, и они накапливаются в цитоплазме создавая на поверхности электрический потенциал – потенциал покоя. Согласно этой гипотезы, при возбуждении клетки, её мембрана «повреждается», и ионы К+ выходят из неё до тех пор, пока потенциал мембраны не становится равным нулю. Затем мембрана восстанавливает свою целостность, а потенциал возвращается к уровню потенциала покоя.
Что такое потенциал покоя, и что такое электрический потенциал? Проще всего это можно пояснить на примере обыкновенной пальчиковой батарейки. У неё есть два контакта (полюса) «плюс» и «минус». Напряжение батарейки 1,5 вольта. И разность потенциалов между плюсом и минусом как раз и составляет полтора вольта. То есть, можно представить, что на одном полюсе батарейки потенциал плюс 0,75 В, а на другом – минус 0,75 В. Разница между плюсом и минусом составит те самые 1,5 В. Разность потенциалов и величина одного потенциала измеряются в вольтах (В).
Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками. Напряжение определяется исключительно относительно некоторого уровня, обозначается буквой U.
Потенциал покоя – это разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. С точки зрения физика, приведённое выше определение неправильное. Потенциал не может быть разностью потенциалов. Но у медиков принята именно такая терминология. Его средняя величина для нейрона составляет 70 мВ (70*10−3 В).
Отметим, что заряд мембраны измеряется изнутри клетки, а не снаружи. Проще говоря, снаружи вокруг клетки будут преобладать «плюсики», т. е. положительно заряженные ионы, а внутри – «минусики», т. е. отрицательно заряженные.
Согласно идее Бернштейна, в клетке всегда есть электричество, её внутренняя часть заряжена отрицательно по отношению к наружной среде, а эта разность потенциалов и есть причина электрического тока. Поэтому он предположил, что при раздражении в клеточной мембране действительно возникает «дырка», но не реальная, как при разрезе или проколе, а «электрическая», дырка для токов, т. е. мембрана становится проницаемой не только для калия, стремящегося внутрь, но и для других ионов.
Из этой гипотезы напрашивался вывод, определяющий содержание контрольного эксперимента: проверить сопротивление в области возбуждения мембраны, оно должно снижаться за счёт этой «дырки». Бернштейн сделал попытку проверить это предсказание экспериментально. Но продолжить развитие и обоснование своей гипотезы, увы, не успел: его книга с описанием открытия вышла в 1912-м, этот год и считается годом рождения мембранной теории биопотенциалов, вскоре началась Первая мировая война, а в 1917 году Бернштейн умер.
Гипотеза Бернштейна о генерации потенциала покоя на клеточной мембране была встречена в научном сообществе без особого энтузиазма. В глазах современников она выглядела не более чем оригинальной гипотезой и требовала экспериментальных подтверждений. У скептиков главными аргументами были: во-первых, отсутствие экспериментальных доказательств существования само́й мембраны – её увидели в электронный микроскоп лишь в 1950 году, и во-вторых, наличие ионов калия внутри клетки подтверждалось лишь косвенными данными.
Из трёх основных «действующих лиц» мембранной теории Бернштейна: мембраны, наружной среды и внутриклеточной среды, достаточно хорошо на тот момент была исследована лишь наружная среда, и не только потому, что она была наиболее доступной. [14]
Химическим составом среды, окружающей клетки организма, биологам уже давно приходилось заниматься. При проведении экспериментов на изолированных о́рганах их следует хранить в специальном растворе. Например, лягушачью лапку нельзя подолгу оставлять просто на воздухе – она высохнет и перестанет работать, но нельзя и поместить её в чистую воду – под действием осмоса клетки препарата погибнут.
Таким образом, важный для мембранной теории солевой – а значит и ионный – состав внеклеточных жидкостей был хорошо известен врачам. Оказалось, что основу этой жидкости составляет 9% раствор простой поваренной соли NaCl (физраствор).
Примечателен и очень важен для мембранной теории тот факт, что, соотношение концентраций ионов натрия и калия в среде, окружающей клетки организма, примерно одинаково для всех животных – от медузы до человека. Независимо от концентрации, количество калия в растворе примерно в 50 раз меньше, чем натрия. Так что, у всех животных межклеточная среда по существу представляет собой в бо́льшей или меньшей мере разбавленную морскую воду.
Между тем, в 1908 году была опубликована модель биоэлектрогенеза Вальтера Нернста (Nernst, 1864-1941). Биоэлектрогенез – это процесс генерации электричества живыми организмами.
Нернст взял сосуд с растворами КCl разной концентрации, разделёнными полупроницаемой мембраной. Из-за различия в проницаемости мембраны для катионов К+ и анионов Сl-, за определённое время через мембрану проходит гораздо больше ионов калия, чем хлора. В результате, в растворе с низкой концентрацией возникнет избыток К+, и раствор приобретёт положительный заряд, а в растворе с более высокой концентрацией остаётся больше Cl-, и этот раствор станет отрицательно заряженным. Так как эти заряды притягивают друг друга, то на мембране возникнет двойной электрический слой – по одну сторону скопятся положительные заряды (ионы К), а по другую – отрицательные (ионы Cl). Вследствие этого на мембране возникнет разность потенциалов. Этот постоянный потенциал назвали диффузионным. Справедливости ради заметим, что ещё в 1890 году Вильгельм Оствальд провёл аналогичный опыт. Но важной заслугой Нернста стало математическое описание этого процесса (формула Нернста):
η = μ+zψF
где
μ – химический потенциал,
z – валентность вещества,
ψ – электрический потенциал фазы,
F – число Фарадея.
Нернст изучал поведение электролитов при пропускании электрического тока и открыл закон, устанавливающий зависимость между разностью потенциалов и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет рассчитать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия, при заданных давлении и температуре. Таким образом, этот закон связывает термодинамику с электрохимической теорией в области решения проблем, касающихся сильно разбавленных растворов.
Именно по этой формуле Бернштейн в 1912 году рассчитал величину потенциала покоя для К+ совпавшую с экспериментально измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около – 70 мВ.
Оставалось экспериментально доказать наличие биоэлектрогенеза в живой клетке.
До современного представления о распространении нервного импульса оставались считаные шаги, но ещё многие годы исследования.