17

21 Биофизика нервного импульса

Нормальное функционирование организма невозможно без обмена информацией между клетками. Одним из способов информационного обмена является возможность генерации и восприятия клетками нервного импульса. В организме существуют так называемые возбудимые клетки, к которым относятся мышечные, нервные и секреторные. Эти клетки способны откликаться каким-либо образом на своё возбуждение. Так, мышечные клетки сокращаются, секреторные выделяют биологически активные вещества, а нервные генерируют электрические колебания – нервный импульс.

Потенциал покоя. На мембране клетки всегда существует разность потенциалов, то есть электрический потенциал внутри клетки отличается от наружного. Эта разность потенциалов называется потенциалом покоя. Если наружный потенциал принять равным нулю, то внутренний составит от 50 до 90 мВ, в зависимости от вида клеток. Причиной возникновения потенциала является наличие градиента концентраций ионов K⁺, Na⁺ и Cl^­ на клеточной мембране. Допустим, что мембрана проницаема только для ионов калия и непроницаема для остальных, тогда потенциал покоя будет определяться равновесным калиевым потенциалом и описываться уравнением Нернста. Но на самом деле величина потенциала покоя будет всегда несколько ниже равновесного калиевого потенциала, так как внутрь клетки постоянно просачиваются ионы натрия и приносят туда свой положительный заряд. Диффузия отрицательных ионов хлора, наоборот способствуют увеличению потенциала покоя. То есть вклад в формирование потенциала покоя вносят потоки всех ионов, коэффициенты проницаемости которых отличны от нуля. Зависимость потенциала покоя от концентрации и коэффициентов проницаемости описывается уравнением Гольдмана-Ходжкина-Катца: Δφ = RT/F• lg{{P_K[K⁺]₀+P_Na[Na⁺]₀+P_Cl[Cl^-]_i}/{P_K[K⁺]_i+P_Na[Na⁺]_i+P_Cl[Cl^-]₀}}.

В состоянии покоя мембранные проницаемости для ионов К⁺, Nа⁺ и Cl^- относятся друг к другу как P_K : P_Na : P_Cl = 1: 0,04 : 0,45.

Так как в покое проницаемость клетки для ионов калия намного больше её проницаемости для других ионов, то потенциал покоя определяется преимущественно разностью концентраций ионов калия.

Поддержание разности концентраций ионов осуществляется при помощи работы ионных насосов, использующих энергию АТФ. Na⁺,K⁺ - насос, кроме того, способствует увеличению трансмембранного потенциала, так как выводит три иона натрия и закачивает в клетку только два иона калия, что увеличивает положительный заряд межклеточной среды, а, следовательно, увеличивает потенциал покоя.

Увеличение трансмембранной разности потенциалов называется гиперполяризацией, уменьшение – деполяризацией. При деполяризации может измениться знак внутриклеточного потенциала. К уменьшению потенциала покоя приводят:

1. нарушение работы АТФ-азы;

2. действие ядов, которые увеличивают проницаемость мембраны для ионов натрия;

3. торможение процессов, обеспечивающих синтез АТФ в клетке.

Потенциал действия. При воздействии на клетку какого-либо раздражителя её трансмембранный потенциал изменяется, возникает так называемый потенциал действия (ПД), или спайк. Причиной такого колебания потенциала покоя является изменение проницаемости мембраны для натрия, что, в свою очередь, вызвано открытием натриевых ионных каналов. При возбуждении проницаемости мембраны для ионов калия и натрия относятся друг к другу как P_K : P_Na=1:20. В результате поток ионов натрия в клетку начинает превышать поток ионов калия из клетки. Если раньше потенциал на мембране был близок к равновесному калиевому потенциалу, то теперь он стремится к равновесному натриевому, но не достигает его только вследствие того, что проводимости для ионов калия и хлора отличны от нуля. В клетке происходит деполяризация мембраны: отрицательный потенциал клетки приближается к нулю, а потом и вовсе меняет знак на противоположный. Последний процесс называется реверсией мембранного потенциала. Максимальное значение потенциала действия составляет обычно 30-40 мВ. Увеличение натриевой проводимости длится доли миллисекунд. Далее она начинает снижаться, а калиевая – возрастать, в результате чего в клетке восстанавливается потенциал покоя. Этот процесс называется реполяризацией клеточной мембраны.

Для восстановления потенциала покоя клетке требуется некоторое время. В процессе реполяризации сначала происходит быстрое приближение к нормальному значению потенциала покоя, затем скорость изменения потенциала уменьшается, и клетка некоторое время пребывает в деполяризованном состоянии. Это называется следовой деполяризацией. В некоторых клетках, наоборот, возникает следовая гиперполяризация, то есть в процессе реполяризации разность потенциалов начинает превышать обычную. Оба эти отклонения от нормального значения потенциала покоя называются следовыми потенциалами.

Действие раздражителя обычно приводит к локальной деполяризации мембраны. Это вызывает открытие натриевых каналов, чувствительных к изменению потенциала, а, следовательно, - увеличивает натриевую проводимость, что приводит к ещё большей поляризации. Указанный процесс способствует открытию новых натриевых каналов. Существование такой обратной связи обеспечивает регенеративную или самообнавляющуюся деполяризацию клеточной мембраны. После возникновения потенциала действия данный участок мембраны некоторое время находится в невозбудимом – рефрактерном – состоянии, то есть действие раздражителя не вызывает генерацию потенциала действия, так как натриевые каналы некоторое время после активации находятся в закрытом состоянии и не способны открыться в ответ на изменение трансмембранного потенциала.

Длительность потенциала действия отличается для различных клеток и существенно зависит от температуры. При её уменьшении на 10⁰С время существования потенциала действия увеличивается в три раза. При этом длительность реполяризации обычно превышает длительность деполяризации.

Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя, а сам ПД возникает только в том случае, если деполяризация мембраны превысила некоторый пороговый уровень, определяемый свойствами данной клетки. Это явление получило название закона «всё или ничего». Однако если деполяризация составляет 50-70% от уровня пороговой, то в клетке может возникнуть так называемый локальный ответ, амплитуда которого значительно ниже амплитуды потенциала действия. Чем выше уровень подпороговой деполяризации (то есть чем ближе он к пороговой), тем выше амплитуда локального ответа. Отсутствие потенциала действия при подпороговом уровне деполяризации объясняется тем, что в этой ситуации недостаточно увеличивается натриевая проводимость, а, следовательно, нет возможности вызвать регенеративную деполяризацию. Подпороговый уровень деполяризации не вызывает открытия новых натриевых каналов, поэтому натриевая проводимость быстро уменьшается, и в клетке восстанавливается потенциал покоя.

Амплитуда потенциала действия и пороговый уровень деполяризации не являются строго постоянными величинами для данной клетки. Длительная деполяризация приводит к увеличению инактивации натриевых каналов и активации калиевых. В результате амплитуда потенциала действия уменьшается, а пороговый уровень деполяризации увеличивается. Длительная гиперполяризация вызывает увеличение амплитуды ПД и уменьшение порогового уровня деполяризации.

При действии электрического тока на мембрану клетки выяснилось, что возникновение ПД зависит не только от силы тока, но и от времени его действия. Чем выше сила тока, тем меньше времени требуется подавать его на клетку, чтобы возник ПД. Действия больших токов в течение короткого промежутка времени не вызывает нужного уровня деполяризации, так же как и действие в течение длительного времени токов малой силы. Наименьший ток, который способен вызвать потенциал действия, называется реобазой. Соответствующее ему время возбуждения – полезным временем. В биологии и медицине часто используют термин хронаксия, который означает время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Для каждой клетки существует своё значение реобазы и хронаксии, поэтому измерение этих характеристик имеет диагностическое значение.

Распространение возбуждения по нервному волокну. Нервные волокна делятся на миелинизированные и немиелинизированные. Миелинизированное нервное волокно состоит из осевого цилиндра, содержащего аксоплазму, покрытого цитоплазматической мембраной. Вокруг него многократно обертываются шванновские клетки или олигодендроциты, слои которых сливаются и образуют миелиновую оболочку. Через равные промежутки (от 0,2 до 2 мм) эта оболочка прерывается, и мембрана осевого цилиндра остаётся открытой. Такие участки волокна называются перехватами Ранвье. Их длина составляет около 1 мкм. Миелиновая оболочка, состоящая из мембранных липидов и белков, является изолятором нервной клетки, благодаря ей возбуждение может возникнуть только на оголённом участке мембраны аксона.

Рис. 1. Схема строения миелинизированного нервного волокна

Немиелинизированные нервные волокна не имеют такой плотной жировой оболочки. Шванновская клетка окружает их только один раз.

Возбуждение какого-либо участка немиелинизированного нервного волокна приводит к локальной деполяризации мембраны. В то же время остальная часть мембраны сохраняет свою обычную разность потенциалов: наружная среда заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Между возбужденным и невозбужденным участками возникают местные токи. Это приводит к деполяризации соседнего участка, который, в свою очередь, деполяризует следующий. Такой способ проведения возбуждения называется непрерывным.

Рис.2. Схема механизма проведения нервного импульса по немиелинизированному волокну

В миелинизированных нервных волокнах непрерывное проведение нервного импульса невозможно. Возбуждение (деполяризация) может возникнуть только в перехватах Ранвье. Деполяризация одного участка вызывает деполяризацию соседнего участка. Далее возбуждение способно перейти только вперед к следующему участку, так первый участок в течение некоторого времени остается рефрактрным. По этой причине нервный импульс по миелинизированному волокну распространяется только в одном направлении. Возникающий потенциал действия в несколько раз превышает порог, необходимый для возникновения возбуждения в следующем перехвате Ранвье, который, таким образом, каждый раз усиливает сигнал, ослабевающий в результате сопротивления межтканевой жидкости и аксоплазмы, и действует подобно ретранслирующему генератору. Механизм распространения возбуждения по миелинизированным волокнам называется сальтаторным.

Рис.3. Схема механизма проведения нервного импульса по миелинизированному волокну

Сальтаторный механизм выгоднее непрерывного, так как позволяет увеличить скорость проведения нервного импульса. Он более экономичен с энергетической точки зрения: деполяризуются только небольшие участки мембраны, возникает меньше потерь ионов, следовательно, клетке приходится расходовать меньше энергии для обеспечения работы Na⁺K⁺ - насосов.

Скорость проведения нервного импульса по немиелинизированному волокну пропорциональна квадратному корню из диаметра волокна. Увеличение диаметра способствует увеличению скорости распространения возбуждения.

Для миелинизированных волокон скорость проведения возбуждения зависит от длины межперехватных участков (участков между двумя перехватами Ранвье). В тоже время длина межперехватных участков пропорциональна диаметру волокна. Таким образом, скорость проведения нервного импульса по мякотным волокнам пропорциональна их диаметру.

В зависимости от толщины, а также наличия или отсутствия миелиновой оболочки все нервные волокна делят на три основных типа: А, В, и С.

1. Волокна типа А – это наиболее толстые, хорошо миелинизированные афферентые и эфферентые волокна соматичекой нервной системы. Скорость проведения этих волокон варьирует от 120 м/с до 15 м/с.

2. Волокна типа В - слабомиелинизированные преганглионарные (парасимпатические) волокна вегетативной нервной системы. Скорость проведения составляет 5 – 14 м/с.

3. Волокна типа С – это немиелинизированные в основном постганглионарные (симпатические) волокна вегетативной нервной системы. Скорость проведения от 0,5 до 2,3 м/с.

22

Поглощение света

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (ато­мами) вещества.

Поглощением света называют ослабление интенсивности све­та при прохождении через любое вещество вследствие превраще­ния световой энергии в другие виды энергии.

Поглощение кванта света про­исходит при его неупругом столкновении с молекулой (атомом),приводящем к передаче энергии фотона веществу, и является слу­чайным событием. Вероятность по­глощения кванта света образцом вещества толщиной l оценивается величиной коэффициента поглощения 1 - Т, равного отношению интенсивностей погло­щенного света l_п = l₀ – l к интенсивности падающего 1₀

1 -Т =l0-l/l0

где I — интенсивность прошедшего света, Т = l/lo коэф. пропускания.

Выведем закон поглощения света веществом. Выделим тонкий слой вещества dx, перпендикулярный пучку монохроматического света интенсивностью i (I_Q > i > I), и будем исходить из предполо­жения, что ослабление света (доля поглощенных квантов) -di/i таким слоем не зависит от интенсивности (если интенсивность не слишком велика), а определяется только толщиной слоя dx и ко­эффициентом пропорциональности k_}:

-di/i=kλdx. (24.2)

Коэффициент k_x различен для разных длин волн и его величина зависит от природы вещества. Интегрируя (24.2) и подставив пре­делы интегрирования для х от 0 до I и для i от 1₍₎ до I, получаем

I = I₀e (24.3)

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Коэф­фициент k_x называют натуральным показателем поглощения, его величина обратна расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с мо­лекулами (атомами), то закон поглощения можно связать с неко­торыми характеристиками молекул. Пусть п — концентрация молекул (число молекул в единице объема), поглощающих кван­ты света. Обозначим буквой s эффективное сечение поглощения молекулы — некоторую площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой. Другими словами молеку­лу можно представить как мишень определенной площади.

Если считать, что площадь сечения прямоугольного паралле­лепипеда (рис. 24.1) равна S, то объем выделенного слоя Sdx, а ко­личество молекул в нем nSdx; суммарное эффективное сечение всех молекул в этом слое будет snSdx. Доля площади поперечного сечения поглощения всех молекул в общей площади сечения snSdx/S=sndx ( 24.3)

Можно считать, что такая же, как и (24.4), часть попавших на слой квантов поглощается молекулами, ибо отношение площадей определяет вероятность взаимодействия одного кванта с молеку­лами выделенного слоя. Доля поглощенных слоем квантов равна относительному уменьшению интенсивности (di/i) света. На осно­вании изложенного можно записать

di/i=- sndx (24.5)

откуда после интегрирования и потенцирования имеем

I = I₀e-^snl. (24.6)

В это уравнение, аналогичное (24.3), входит параметр s, который отражает способность молекул поглощать монохроматический свет используемой длины волны.

Более приняты молярные концентрации С = n/N_A, откуда п = CN_a. Преобразуем произведение sn = sCN_A = X_λС, где = sN_A — натуральный молярный показатель поглощения. Его физический смысл — суммарное эффективное сечение поглощения всех моле­кул одного моля вещества. Если молекулы, поглощающие кванты, находятся в растворителе, который не поглощает свет, то можно (24.6) записать в виде

I = I₀e ^XλCl. (24.7)

Эта формула выражает закон Бугера—Ламберта—Бера. В лабо­раторной практике этот закон обычно выражают через показа­тельную функцию с основанием 10:

I= I₀ • 10-^εcl, (24.8)

где ε -молярный показатель поглощения¹.

В спектроскопии с принято называть молярным коэффициентом по­глощения.

Закон Бугера—Ламберта—Бера исполь­зуют для фотометрического определения концентрации окрашенных веществ. Для этого непосредственно измеряют потоки падающего и прошедшего через раствор монохроматического света (концентраци­онная колориметрия), однако определен­ный таким образом коэффициент пропус­кания Т (или поглощения 1 - Т, см. (24.1)) неудобен, так как он из-за вероятностного характера процесса¹ связан с концентраци­ей нелинейно. По­этому в количественном анализе обычно определяют оптическую плотность (D) раствора², представляющую десятичный логарифм величины, обратной коэффици­енту пропускания,

D=lgI/T=lgIo/I=εCl

Оптическая плотность удобна тем, что она линейно связана с концентрацией оп­ределяемого вещества (рис. 24.2, б).

Закон Бугера—Ламберта—Бера выпол­няется не всегда. Он справедлив при сле­дующих предположениях: 1) использует­ся монохроматический свет; 2) молекулы растворенного вещества в растворе распре­делены равномерно; 3) при изменении концентрации характер взаимодействия между растворенными молеку­лами не меняется (иначе фотофизические свойства вещества, в том числе и значения s и е, будут изменяться); 4) в процессе измерения не происходят химические превращения молекул под действием света; 5) интенсивность падающего света должна быть достаточно низка (чтобы концентрация невозбужденных молекул практически не уменьшалась в ходе измерения). Зависимости s, г или D от дли­ны волны света называют спектрами поглощения вещества.

Спектры поглощения являются источниками информации о состоянии вещества и о структуре энергетических уровней атомов и молекул (см. § 24.3 и 24.4). Спектры поглощения используют для качественного анализа растворов окрашенных веществ.

23.

Фотометрические методы анализа

Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения

анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбционных опти-

ческих методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ

переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих

частиц и способа трансформирования поглощенной энергии различают:

1. Атомно-абсорбционный анализ, основанный на поглощении световой

энергии атомами анализируемых веществ.

2. Молекулярный абсорбционный анализ, т.е. анализ поглощения света

молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрас-

ной областях спектра (спетрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).

3. Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными части-

цами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).

4. Люминесцентный (флуорометрический) анализ, основанный на из-

мерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными

молекулами анализируемого вещества.

Все эти методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или

спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют существенные различия.

Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

В фотометрических методах используют избирательное поглощение света

молекулами анализируемого вещества. Согласно квантовой механике свет представляет собой поток частиц, называемых квантами или фотонами. Энергия каждого

кванта определяется длиной волны излучения. В результате поглощения излучения

молекула поглощающего вещества переходит из основного состояния с минимальной энергией E1 в более высокое энергетическое состояние Е2. Электронные переходы, вызванные поглощением строго определенных квантов световой энергии, характеризуются наличием строго определенных полос поглощения в электронных

спектрах поглощающих молекул. Причем поглощение света происходит только в

том случае, когда энергия поглощаемого кванта совпадает с разностью энергий ΔЕ

между квантовыми энергетическими уровнями в конечном (E2) и начальном (E1)

состояниях поглощающей молекулы:

hv = ΔЕ = Е2 – E1

Здесь h – постоянная Планка (h = 6,625.10–34 Дж•с); v – частота поглощаемого излучения, которая определяется энергией поглощенного кванта и выражается

отношением скорости распространения излучения с (скорости световой волны в

вакууме с = 3.1010 см/с) к длине волны λ; v = с/λ. Частота излучения v измеряется в

обратных секундах (с–1), герцах (Гц). 1 Гц = 1 с–1.

Длина волны λ измеряется в ангстремах (1 A = 1.10–8 см), микрометрах или

микронах (1 мкм = 1 мк = 1.10–6 м), нанометрах или миллимикронах (1 нм = 1 ммк

= 10 A = 1.10–9 м).

Энергия излучения характеризуется электромагнитным спектром, охватывающим область от километровых радиоволн до десятых долей ангстрема γ-

излучения и космических лучей. Для характеристики участка спектра часто используют также волноовое число θ, которое показывает, какое число длин волн приходится на 1см пути излучения в вакуме, и определяется соотношением: θ = 1/λ.

Природа полос поглощения в ультрафиолетовой (10–400нм) и видимой (400–