Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биофизические основы живых систем. Учебное пособие
.pdf
Рис. 1.13. Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов:
а – стеклянная микропипетка; б – стеклянный микроэлектрод;
в – схема регистрации мембранного потенциала.
Регистрирующее устройство Р, содержащее усилитель
постоянного тока, измеряет мембранный потенциал:
Микроэлектродный метод дал возможность измерить
биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на
клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных,
клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других.
Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя
и потенциалы действия.
1.3.1 Ионная теория электрогенеза Бернштейна
Современная теория электрогенеза вытекает исторически из
положений Н.А. Бернштейна (1940), связавшего впервые ионную
проницаемость мембран с природой биопотенциалов.
Ее основные положения:
(1.14)
31
1. В состоянии покоя мембрана проницаема только для ионов калия.
2. Ионы калия, выходя из клетки, создают потенциал, величина
которого рассчитывается по уравнении. В.Нернста:
где [K+]
и [K+]
вн
– концентрация внутриклеточных и внеклеточных
нар
, (1.15)
ионов соответственно.
3. Этот потенциал равновесный, так как различие концентраций
[K+]
и [K+]
вн
присутствует в клетках постоянно.
нар
В качестве доказательства своей теории Н.А. Бернштейн
указывал на зависимость мембранного потенциала от температуры,
изменений внеклеточной концентрации ионов калия, т.е. от расчетных
показателей уравнения В. Нернста.
1.3.2 Потенциал покоя в клетках
Современные представления об электрогенезе основаны на
положениях теории постоянного поля. Ее основные создатели –
А. Ходжкин, Э. Хаксли и Б. Кац (1949) разработали ряд упрощений
для возможного анализа протекания электрических процессов на
мембране:
1. Ионы движутся в мембране по градиенту концентрации и
электрического пол, как в растворе.
2. Напряженность электрического поля в мембране постоянна и
потенциал падает линейно ее толщины по мере удаления от
источника электрического поля.
3. Мембрана гомогенна, имея постоянную диэлектрическую
проницаемость по всей толщине.
4. Концентрация ионов в мембране на границе с раствором
пропорциональна концентрации ионов в самом растворе.
Потенциал покоя – стационарная разность электрических
потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной
поверхностями и мембраны в невозбужденном состоянии.
Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по
разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.
32
Если концентрация какого-либо иона внутри клетки Свн отлична
то концентрации этого иона снаружи С
и мембрана проницаема для
нар
этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану,
вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы,
образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки φм= φвн –
φ
которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов
нар,
через мембрану.
Если мембранный потенциал обусловлен переносом ионов К+,
для которого [К+]
вн
> [К+]
и Z= +1, равновесный мембранный
нар
потенциал:
. (1.16)
Для ионов Na+: [Na+]вн<[Na+]
и Z=+1,
нар
. (1.17)
Для ионов Cl-: [Cl-]вн<[Cl-]
и Z=-1.
нар
. (1.18)
Предполагая, что при потенциале покоя (ПП) суммарный
ионный ток равен нулю, Ходжкин, Гольдман и Катц вывели
уравнение (уравнение Гольдмана):
. (1.19)
В числителе выражения, стоящего под знаком логарифма,
представлены концентрации [K+]вн, [Na+]вн, но [Cl-]
[K+]
нар
, [Na+]
, но [Cl-]вн, так ионы хлора отрицательно заряжены.
нар
а в знаменателе -
нар,
В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К
значительно больше, чем для Na+, и больше, чем для Cl-:
РК>>РNa, РК>Р
Cl.
.
+
33
Для аксона кальмара, например,
РК : Р
: PCl=1 : 0,04 : 0,45.
Na
Таким образом, ПП имеет в основном калиевую природу, что и
определяет его вклад в изменения мембранного потенциала при
модуляции ионов калия. Распределение ионов между клеткой и
средой при ПП устанавливается на постоянном уровне, и суммарный
ионный ток равняется нулю:
INa + IK + ICl = 0 (1.20)
Постоянно существующий градиент, поддерживающий
пассивный поток ионов через клеточную мембрану, требует
процессов, его восстанавливающих. В цитоплазматической мембране
их выполняет система активного транспорта - K+-Na+-АТФаза,
перекачивающая калий внутрь клетки, а натрий из клетки. С учетом
работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала
используется уравнение Томаса (Томас, 1972г.):
где m – отношение количества ионов натрия к количеству ионов
калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану.
Чаще всего K+-Na+-АТФаза работает в режиме, когда
m=3/2, m> 1. (нет ионных насосов, перекачивающих Cl-, поэтому в
уравнении Томаса отсутствуют члены РCl[Cl-].)
Коэффициент m>1 усиливает вклад градиента концентрации
калия в создание мембранного потенциала, поэтому мембранный
потенциал, рассчитанный по Томасу, больше по абсолютной
величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по Гольдману, и
дает совпадение с экспериментальными значениями для мелких
клеток.
1.3.3 Потенциал действия
Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов
действия) в живом организме передается информация от рецепторов к
34
, (1.21)
нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Живой организм
является полностью электрифицированной системой. Без
электричества нет жизни.
Потенциал действия был открыт раньше потенциала покоя.
Животное электричество известно давно. Разряды электрического
угря (происходящие при напряжении до 600 В, с током около 60 А и
длительностью порядка миллисекунды) использовались медициной
еще в Древнем Риме для лечения подагры, головной боли, эпилепсии.
Электрический нервный импульс открыл Л. Гальвани, профессор
анатомии в г. Болонья. Результаты его электрофизиологических
опытов изложены в книге «Трактат о силах электричества при
мышечном движении» (1791 г.). Гальвани открыл, что мышечные
сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться
электрическим импульсом и что сама живая система является
источником электрического импульса.
Потенциалом действия (ПД) называется электрический
импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости
мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам
волны возбуждения.
Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в
основном Ходжкиным и его сотрудниками) на гигантских аксона
кальмара методом микроэлектродов с использованием высокоомных
измерителей напряжения, а также методом меченых атомов. На рис.
1.14 показаны схема опытов и результаты исследований.
Рис.1.14. Исследование потенциала действия: а – схема опыта
(Г – генератор импульсов, Р – регистратор напряжения); б – потенциал
35
действия (φ
n
– потенциал покоя, φ
м
амплитуда потенциала действия, φ
рев
– потенциал реверсии, φ
м
пор
– пороговый потенциал)
м
д
–
м
Характерные свойства потенциала действия:
1. Наличие порогового значения деполяризующего потенциала;
2. Закон «все или ничего», то есть, если деполяризующий
потенциал больше порогового, развивается потенциал действия,
амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего
импульса и нет потенциала действия, если амплитуда
деполяризующего потенциала меньше пороговой;
3. Есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во
время развития потенциала действия и остаточных явлений
после снятия возбуждения;
4. В момент возбуждения резко уменьшается сопротивление
мембраны (у аксона кальмара от 0,1 Ом·м2 в покое до
0,0025 Ом·м2при возбуждении).
Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина –
Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина – Хаксли имеет вид:
, (1.22)
где IM – ток через мембрану, CM – емкость мембраны, ∑ Ii – сумма
ионных токов через мембрану.
Согласно теории Ходжкина – Хаксли, возбуждение элемента
мембраны связано с изменениями проводимости мембраны для ионов
Na+ и K+, gNa и gK.
Проводимость мембраны сложным образом зависит от
мембранного потенциала и времени.
1.3.4 Распространение нервного импульса вдоль возбудимого
волокна
Если в каком-нибудь участке возбудимой мембраны
сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована,
возбуждение распространяется на другие участки мембраны.
Рассмотрим распространение возбуждения на примере передачи
нервного импульса по аксону (рис. 1.15).
36
И в аксоплазме, и в окружающем растворе возникают локальные
токи: между участками поверхности мембраны с большим
потенциалом (положительно заряженными) и участками с меньшим
потенциалом (отрицательно заряженными).
Локальные токи образуются и внутри аксона, и на наружной его
поверхности. Локальные электрические токи приводят к повышению
потенциала внутренней поверхности невозбужденного участка
мембраны φвн и к понижению φ
наружного потенциала
нар
невозбужденного участка мембраны, оказавшегося по соседству с
возбужденной зоной. Таким образом, отрицательный потенциал покоя
п
φ
уменьшается по абсолютной величине, то есть повышается. В
м
областях, близких к возбужденному участку, φм повышается выше
порогового значения. Под действием изменения мембранного
потенциала открываются натриевые каналы и дальнейшее повышение
происходит уже за счет потока ионов натрия через мембрану.
Происходит деполяризация мембраны, развивается потенциал
действия. Затем возбуждение передается дальше на покоящиеся
участки мембраны. Возбуждение распространяется только в область
мембраны, находящуюся в состоянии покоя, то есть в одну сторону от
возбужденного участка аксона. В другую сторону нервный импульс не
распространяется, так как области, через которые прошло
возбуждение, некоторое время остаются невозбудимыми –
рефрактерными.
Рис. 1.15. Локальные токи при распространении нервного импульса по
нервному волокну
37
Повышение мембранного потенциала – величина
деполяризующего потенциала V, передаваемого от возбужденных
участков вдоль мембраны, зависит от расстояния х по формуле:
где V0 – повышение мембранного потенциала в зоне возбуждения, х –
расстояние от возбужденного участка, λ – константа длины нервного
волокна, равная расстоянию, на котором деполяризующий потенциал
уменьшается в е раз (рис. 1.16).
, (1.23)
Рис.1.16. Зависимость деполяризующего потенциала от расстояния
Константа длины нервного волокна:
(1.24)
где rm – удельное электрическое сопротивление оболочки волокна, δ –
толщина оболочки, а – радиус нервного волокна, ri – удельное
электрическое сопротивление цитоплазмы.
Чем больше константа длины мембраны, тем больше скорость
распространения нервного импульса. Величина λ тем больше, чем
больше радиус аксона и удельное сопротивление мембраны и чем
меньше удельное сопротивление цитоплазмы.
38
Большую скорость распространения нервного импульса по
аксону кальмара обеспечивает их гигантский по сравнению с
аксонами позвоночных диаметр. У позвоночных большая скорость
передачи возбуждения в нервных волокнах достигает другими
способами. Аксоны позвоночных снабжены миелиновой оболочкой,
которая увеличивает сопротивление мембраны и ее толщину.
Рис. 1.17. Сальтаторное распространение потенциала действия
по миелинизированному волокну
Возбуждение по миелинизированному волокну
распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата
Ранвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого.
Нервные импульсы проводятся по аксонам в какой-то степени
аналогично тому, как передаются электрические сигналы по кабельнорелейной линии. Электрический импульс передается без затухания за
счет его усиления на промежуточных релейных станциях, роль
которых в аксонах выполняют участки возбудимой мембраны, в
которых генерируются потенциалы действия.
Задачи к практическим занятиям
1. Какой транспорт ионов создает мембранную разность по-
тенциалов: пассивный или активный?
2. Что больше: скорость распространения электрического
сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мембране аксона? Почему?
3. Объясните биофизический механизм действия яда тетро-
39
дотоксина и местного анестетика тетраэтиламмония.
4. Как соотносятся проницаемости мембраны аксона кальмара
для различных ионов в покое и при возбуждении?
5. Как изменится вид графика потенциала действия, если по-
менять химический состав внутри аксона и снаружи: аксоплазму
заменить на внеклеточную жидкость, а внеклеточную жидкость - на
аксоплазму?
6. Чему равна напряженность электрического поля на мембране
в состоянии покоя, если концентрация ионов калия внутри клетки 125
ммоль/л, снаружи - 2,5 ммоль/л, а толщина мембраны 8 нм?
(Ответ: 1,3·107В/м.)
7.Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если кон-
центрация калия и натрия внутри клетки возбудимой ткани
соответственно: 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи 2,5 ммоль/л и
125 ммоль/л.
(Ответ: 160 мВ.)
1.4 Механизм генерации потенциала действия
1.4.1 Ионные токи в аксоне. Модель Ходжкина-Хаксли
Экспериментальной базой для создания модели генерации
потенциала действия явились результаты опытов по разделению
ионных токов возбужденного аксона. В серии опытов на аксоне
кальмара было показано:
1) образование потенциала действия связано с переносом ионов Na+ и
К+ через мембрану;
2) проводимость мембраны для этих ионов меняется в зависимости от
величины мембранного потенциала и времени: g
Na (м
, t), g
K (м
, t)
В дальнейшем Ходжкин и Хаксли предложили математическую
модель, которая описывала бы изменения проводимостей, а
следовательно, и токов ионов Na+ и К+ через мембрану в процессе
возбуждения.
Основными постулатами этой модели является:
1) в мембране существуют отдельные каналы для переноса ионов Na+
и К+;
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]