История открытия биоэлектричества и его изучения
Первые работы, направленные на изучение «животного электричества», появились еще в 18 веке и были связаны с изучением электрических органов глубоководных животных. Они подготовили почву для работ Гальвани, который считается основателем электрофизиологии. Открытие биоэлектричества у лягушек связано с «балконным опытом». На первых этапах своей работы Гальвани изучал влияние различных электрических разрядов на нервно-мышечный препарат задней лапки лягушки. Во время подготовки он обнаружил, что касание препарата задних лапок лягушки, висящего на медном крючке, железных прутьев балкона приводило к сокращению мышц. Он предположил, что между мышечной и нервной тканью есть разность потенциалов, а сокращение мышц происходит в ходе замыкания цепи, в которой железные прутья и медный крючок служили проводниками.
А. Вольт трактовал данное явление как результат возникновения постоянного тока в цепи из разных металлов. По его мнению, в роли проводника выступал препарат. И он был прав.
В последствии Гальвани с учениками доказали существование «животного электричества» с помощью второго опыта, где был исключен контакт разнородных металлов.
Второй опыт Гальвани: в процессе эксперимента он набросил дистальный отрезок седальщного нерва на препарированную икроножную мышцу лягушки, находящуюся в состоянии возбуждения. Следствием стало сокращение мышцы.
Второй этап изучения биоэлектричества связывают с Эмилем Дю Буа-Реймона. Он показал, что при замыкании измерительной электрической цепи между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, можно зарегистрировать электрический ток, который он назвал «ток покоя». При возбуждении мышцы величина этого тока уменьшалась. Такое колебание «тока покоя» он назвал «током действия». Опыт позволял предположить, что между поверхностью мышечной клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов. При пересечении мышцы мы обеспечиваем доступ к протоплазме мышечных клеток, а помещая в этот участок элктрод, второй вход которого соединен с поврежденным участком, экспериментатор оценивает разность потенциалов между указанными точками.
Мембранный потенциал (потенциал покоя). Способы обнаружения.
Трансмембранная разность потенциалов имеется у всех возбудимых клеток. Для клетки в покое это – мембранный потенциал покоя. Он играет ключевую роль в процессах возбуждения нервов, мышц, эндокринных клеток.
Факторы, обеспечивающие возникновение МПП:
Неодинаковая концентрация потенциалообразующих ионов внутри и вне клетки.
Неодинаковая проницаемость клеточной мембраны для различных ионов.
Электрогенный вклад натрий-калиевого насоса.
Мембранный потенциал является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны.
В покое снаружи мембраны преобладают положительные заряды, а внутри – отрицательные. Такое разделение сохраняется благодаря тому, что билипидный слой препятствует диффузии ионов. Разделение зарядов приводит к возникновению разности электрических потенциалов.
Мембранно-ионная теория МПП:
В возбудимых клетках специальные энергозатратные механизмы создают ионную асимметрию между межклеточной жидкостью и цитоплазмой клетки. ( например, натрий-калиевый насос аккумулирует ионы натрия за пределами клетки, а ионы калия – внутри)
Разделение зарядов относительно клеточной мембраны при формировании мембранного потенциала покоя связано с движением ионов калия по концентрационному градиенту через каналы, открытые в покое. При этом анионы органических кислот остаются в цитоплазме, формируя там электроотрицательность. Кроме того, эо цитоплазмы обусловлена вхождением в нее ионов хлора.
Генерация мембранного потенциала покоя – пассивный процесс, не требующий затрат энергии. Однако энергия необходима для установления первоначального концентрационного градиента, а таеже для его поддержания в процессе активности клеток.
Для регистрации МПП чаще всего используются микроэлектроды. Острый стеклянный микроэлектрод, заполненный концентрированным солевым раствором, подводят к клетке, а второй – помещают во внеклеточную жидкость. Оба электрода присоединяются к усилителю и осциллографу для регистрации потенциала. На осциллографе отсутствует потенциал, тк оба электрода снаружи клетки. в момент прокалывания клеточной мембраны и попадания кончика электрода в цитоплазму, осциллограф регистрирует появление отрицательного потенциала, соответствующего МПП.
Природы потенциала покоя: роль обмена веществ, ионной асимметрии, свойств мембраны.
Ведущими факторами в формировании потенциала покоя служат полупроницаемость мембраны и ионная асимметрия.
Ионная асимметрия представляет собой неодинаковое распределение ионов по обе стороны от мембраны. Так, внутри клетки содержится больше ионов Калия, при этом снаружи – больше ионов Натрия и Хлора.
Избирательная проницаемость. В состоянии покоя клеточная мембрана обладает неодинаковой проницаемостью для различных ионов. Она проницаема для ионов калия, малопроницаема для ионов хлора и вообще не проницаема для органических веществ.
За счет этих факторов создаются условия для движения ионов, которое в данной ситуации осуществляется пассивно, без затрат энергии. Так, ионы калия выходят из клетки, усиливая там положительный заряд, а ионы хлора напротив, входят в клетку, повышая отрицательный заряд.
Такое движение продолжается до наступления электрохимического равновесия.
Однако для поддержания ионной асимметрии недостаточно только диффузии ионов. Натрий-калиевый насос обеспечивает активный транспорт ионов против градиентов концентрации: калия – внутрь клетки, а натрия – наружу. Именно за счет этого создается база для диффузии ионов, а значит для поддержания МПП.
Суммарную разность потенциалов между поверхностью клетки и ее содержимым можно рассчитать по уравнению Гольдмана:
Где Е – разность потенциалов, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура по Кельвину, F – число Фарадея, P – константы проницаемости для соответствующих ионов (н – на поверхности, в – внутри клетки).