Fiziologicheskie_osnovy_povedenia / ФИЗИОЛОГИЯ Практическая часть и картинки / 04_ПР4 Деполяризация клеточной мембраны

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ

Цель работы: рассмотреть процесс деполяризации клеточной мембраны и распространение электрического заряда вдоль нервного волокна, выполнить практическое задание

Теоретическая часть

Ионы, подобно незаряженным частицам, переходят через мембрану из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. При этом проводимость ионов зависит не только от проницаемости самой мембраны, но и от заряда этих ионов, поскольку одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изменение ионной проницаемости мембраны вызывает изменение электрохимического состояния мембраны и ведет к возникновению электрического импульса.

Электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны, называется потенциалом действия.

Потенциал действия обусловливает распространение возбуждения по нервным волокнам. Он представляет собой кратковременный регенерационный потенциал, который распространяется вдоль аксона или мышечного волокна и возникает в соответствие с законом «все или ничего», который основывается на понятии критического порога деполяризации.

Критическая пороговая деполяризация, т.е. смена заряда по обе стороны мембраны на противоположный, ведет к увеличению проницаемости для ионов натрия. С изменением проницаемости происходит временное увеличение электропроводимости клеточной мембраны.

В составе потенциала действия входят три фазы:

1. фаза деполяризации, т.е. исчезновение заряда клетки – уменьшение мембранного потенциала до нуля;

2. фаза инверсии, т.е. изменение заряда клетки на противоположный;

3. фаза реполяризации, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная – положительно.

В основе возникновения потенциала действия лежит действие раздражителя на клеточную мембрану. Далее сам процесс развития потенциала действия вызывает фазовые изменения проницаемости мембраны, что обеспечивает быстрое движение ионов натрия в клетку, а ионов калия – из клетки. Величина мембранного потенциала при этом уменьшается, а затем снова восстанавливается до исходного уровня. Описанная закономерность представлена на рисунке 1.

Задание 1. Самостоятельно определите соотношение зарядов внутри клетки и на ее поверхности, обозначьте на рисунке

Рисунок 1 – Схема, теоретической кривой потенциала действия

Фаза деполяризации возникает в результате действия раздражителя на клетку. Раздражителем является нейромедиатор, т.е. химически активное вещество, которое при взаимодействии с мембраной клетки (рецепторными белками) способно изменять проницаемость для ионов натрия. Поскольку ионы проникают в клетку через ионные каналы, следовательно, их поступление также зависит и от состояния этих каналов. Состояние ионных каналов зависит от величины мембранного потенциала, поэтому проникающие в клетку ионы натрия одновременно понижая мембранный потенциал, вызывают изменение состояния канала. При достижении -50 мВ открывается большое число потенциалзависимых Na-каналов и ионы натрия лавиной устремляются в клетку.

Лавинообразное поступление положительно заряженных ионов натрия в клетку ведет к смене заряда мембраны: число положительно заряженных ионов в клетке превышает число отрицательных. Процесс перезарядки мембраны составляет вторую фазу потенциала действия – фазу инверсии. Теперь электрический градиент препятствует входу натрия в клетку. Поэтому примерно через 0,5-1 мс рост потенциала действия прекращается вследствие закрытия ворот Na-каналов и открытия ворота К-каналов. Поскольку заряд на внешней поверхности мембраны в данный момент отрицательный ионы калия, число которых в 10 раз больше чем ионов натрия, устремляются из клетки, восстанавливая тем самым положительный заряд на внешней поверхности.

В фазу инверсии выходу ионов калия способствует электрический градиент – ионы калия выталкиваются положительным зарядом из клетки и притягиваются отрицательным зарядом снаружи клетки.

Задание 2. Самостоятельно определите соотношение зарядов внутри клетки и на ее поверхности, обозначьте и подпишите фазы потенциала действия на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема фаз потенциала действия

Вся нисходящая часть пика потенциала действия обусловлена выходом иона калия из клетки, она сопровождается восстановлением потенциала покоя мембраны и поэтому называется фазой реполяризации. Фаза реполяризации длится от 0,5 до 1,5 мс.

Возникновение потенциала действия возможно при достижении необходимого критического порога (КУД – критический уровень деполярицаии). В этом состоянии мембранный потенциал φ_м резко повышается и меняет свой знак на положительный знак (φ_вн > φ_нар). Достигнув некоторого положительного значения, назовем его потенциалом реверсии (φ_м^рев), мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя (φ_м^ПП). Поэтому амплитуда потенциала действия составляет:

φ_м^ПД = | φ_м^ПП | + φ_м^рев (1)

В случае достижения КУД, возникает локальный потенциал – подпороговое возбуждение, т.е. потенциал от -70 мВ до КУД -50 мВ.

Распространяется локальный потенциал на небольшое расстояние 1-2 мм с затуханием (декрементом). Локальными потенциалами возбудимых клеток являются:

• возбуждающий постсинаптический потенциал;

• рецепторный потенциал;

• тормозной постсинаптический потенциал.

Локальные потенциалы изменяют мембранный потенциал покоя в сторону деполяризации в результате входа в клетку ионов натрия. В результате чего между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседним участком формируется разность потенциалов, вызывающее движение ионов по электрическому градиенту.

Ионы натрия на наружной поверхности мембраны начинают перемещаться в сторону того участка, в котором возник локальный потенциал. При этом положительный потенциал наружной поверхности мембраны соседнего участка уменьшается.

Задание 3. Самостоятельно укажите направление и изобразите на рисунке 3 распространение локального электрического потенциала в безмиелиновом волокне

Рисунок 3 – Схема проведения локального потенциала

На внутренней поверхности мембраны ионы натрия, вошедшие в клетку, движутся в обратном направлении.

При достижении критического порога деполяризации (-50 мВ) возникающий потенциал действия распространяется вдоль волокна без затухания. В зависимости от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения потенциала действия:

• непрерывное проведение нервного импульса;

• сальтаторное проведение нервного импульса.

Непрерывное проведение нервного импульса осуществляется в безмиелиновых волокнах, что объясняется равномерным распределением потенциал чувствительных ионных каналов.

Непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых потенциалов действия по эстафете, когда каждый возникающий импульс является раздражителем для соседнего участка нервного волокна и обеспечивает возникновение нового потенциала действия.

Задание 4. Самостоятельно укажите направление и изобразите на рисунке 4 распространение электрического потенциала в миелиновом волокне

Рисунок 4 – Схема сальтаторного проведения нервного импульса

В миелиновых волокнах осуществляется сальтаторное проеведение нервного импульса. Потенциалчувствительные ионные каналы в таких волокнах локализованы только в участках мембраны перехватов Ренвье.

В области миелинового слоя потенциалчувствительных каналов нет и проведение электрического потенциала на этом участке невозможно. Вследствие чего мембрана осевого цилиндра здесь невозбудима. Поэтому потенциал действия, возникший в одном перехвате Ренвье, распространяется скачкообразно, а ток возникает в результате разности потенциалов (зарядов) между расположенными рядом перехватами Ренвье.

Возбуждение в миелиновых волокнах распространяется со скоростью до 120 м/с (скорость проведения в безмиелиновых волокнах 0,5-2,0 м/с).

Практическая часть

Для решения задач рассмотрите рисунок 1, обратите внимание на область равновесного потенциала для калия (на оси ординат значения меньше – 60 мВ) и область равновесного потенциала для натрия (на оси ординат значения от 0 до + 30 мВ). Из рисунка видно, что область потенциала покоя клетки определяет разность ионов калия на внутренней и наружной поверхности мембраны, а потенциал действия определяется разностью ионов натрия на внутренней и наружной поверхности мембраны. Отсюда следуют рассуждения для решения задач.

Задача 1. Рассчитать амплитуду потенциала действия мышцы человека при 30 ^оС, если известно, что потенциал покоя определяется равновесным калиевым потенциалом, а потенциал действия определяется равновесным натриевым потенциалом [К+] н = 5,9 ммоль/л; [К+] в = 147 ммоль/л; [Na+] н = 164 ммоль/л; [Na+] в = 17 ммоль/л. (Ответ: 143 мВ).

Амплитуда (высота) потенциала действия есть сумма между потенциалом покоя и потенциалом реверсии (формула 1). Потенциал реверсии зависит от соотношения ионов натрия. Тогда:

• определяем значение потенциала покоя

• определяем значения потенциала реверсии

• находим амплитуду потенциала действия

φ_м^ПП = - 8,31 · (273+30) / 96500 · 2,3 · Log (147/5,9) = - 0,084 В

φ_м^рев = - 8,31 · (273+30) / 96500 · 2,3 · Log (17/164) = 0,059 В

φ_м^ПД = |- 0,084| +0,059 = 0,143 В = 143 мВ

Ответ: 143 мВ (абсолютная величина)

Задача 2. Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если концентрация калия и натрия внутри клетки нейрона соответственно: 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи 2,5 ммоль/л и 125 ммоль/л. (Ответ: 160 мВ).

Задача 3. Вычислить величину потенциала действия нерона по данным распределения основных электрогенных ионов. Вычислите абсолютную величину амплитуды потенциала действия нервной клетки, если из­вестно, что распределение ионов К⁺ характери­зуется отношением 1 : 40, a Na⁺ - 1 : 8. Экспе­риментальное определение концентрации ионов проводилось при температуре 22°С. (Ответ: 146 мВ)

Задача 4. Рассчитайте амплитуду ПД, если концентрация калия и натрия внутри клетки нервной ткани соответственно 138 ммоль/л, 2,5 ммоль/л, а снаружи 2,0 ммоль/л и 145 ммоль/л. Экспе­риментальное определение концентрации ионов проводилось при температуре 34°С.

Контрольные вопросы:

1. Какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?

2. Что больше: скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мембране аксона? Почему?

3. Как соотносятся проницаемости мембраны аксона нервной клетки для различных ионов в покое и при возбуждении?

4. Что является деполяризующим раздражителем?