Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Лекция.
БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО МЕХАНИЗМЫ.
План лекции.
1. История открытия биоэлектричества. Токи покоя и действия.
2. Мембранный потенциал покоя. Методы регистрации.
3. Природа мембранного потенциала покоя.
4. Изменение мембранного потенциала при возбуждении (потенциал действия (ПД)).
5. Сравнительная характеристика ЛО и ПД.
6. Современные представления о механизме ПД.
7. Потенциал действия и возбудимости клетки.
1. Первые научные работы, направленные на изучение «животного электричества», датированы серединой 18 столетия и связаны с изучением электрических органов морских животных (электрический скат, некоторые глубоководные рыбы). Все эти исследования подготовили благоприятную почву для работ Л.Гальвани, который считается основателем электрофизиологии. Само открытие «животного электричества» у лягушек связано с так называемым «балконным опытом» (1786). Должен отметить, что на первом этапе своей научной карьеры Л.Гальвани изучал влияние различных по природе электрических разрядов на нервно-мышечный препарат и препарат задних лапок лягушек. При подготовке эксперимента он обнаружил любопытное явление: касание препарата задних лапок лягушки, висящего на медном крючке, железных прутьев балкона, сопровождалось сокращением мышц. Исследователь предположил, что между мышечной и нервной тканью препарата существует разность потенциалов: сокращение мышц происходит в результате замыкания электрической цепи, где медный крючок и железный прут выступают в роли проводников. Современник Л.Гальвани известный физик А.Вольта трактовал это явление как результат возникновения постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных металлов. В роли проводника, по его мнению, выступал препарат. Сегодня мы знаем, что в данном конкретном случае был прав А.Вольта, однако, дальнейшими экспериментами Л.Гальвани и его ученики доказали, что «животное электричество» существует (второй опыт Л.Гальвани с исключением контакта разнородных металлов, опыт К.Маттеуччи с двумя нервно-мышечными препаратами, один из которых при возбуждении электрическим током служил источником возбуждения для другого).
Второй исторический этап развития электрофизиологии связывают с именем выдающегося немецкого физиолога Эмиля Дю Буа-Реймона. В 1841 он показал, что при замыкании измерительной электрической цепи между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, можно зарегистрировать электрический ток, названный им «током покоя». При возбуждении мышцы величина величина «тока покоя» уменьшалась. Это колебание «тока покоя» он назвал «током действия». Опыт Э.Дю Буа-Реймона позволял предположить, что между поверхностью мышечной клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов. Действительно, при пересечении мышцы мы обеспечиваем в эксперименте доступ к протоплазме мышечных клеток, а помещая в этот участок электрод и соединяя его с гальванометром, второй вход которого соединен с неповрежденным участком, экспериментатор оценивает разность потенциалов между указанными точками. Развитие электрофизиологии в 40-50 годы нашего столетия подтвердило это предположение.
2. Современная материально-техническая электрофизиологическая база позволяет осуществить регистрацию разности потенциалов в покоящейся возбудимой клетке. Для этого необходимы: микроэлектроды с сечением 0,5 мкм (металлические или стеклянные), усилитель постоянного тока и осциллограф (см.схему 1). Один из микроэлектродов вводится внутрь клетки, а другой помещается на ее поверхность. Электроды соединяются со входами усилителя, выходы которого подаются на вход осциллографа (рис.1).
|
ОСЦИЛЛОГРАФ
ВОЗБУДИМАЯ
КЛЕТКА
Рис.1. Схема экспериментальной установки для регистрации МПП.
На экране осциллографа разность потенциалов между поверхностью мембраны клетки и ее протоплазмой отражается смещением луча от изолинии, причем чем больше это отклонение, тем больше величина разности потенциалов.
3. Первую гипотезу в отношении природы МПП высказал Э.Дю Буа-Реймон, предположивший, что разность потенциалов создается молекулами, встроенными в мембрану клеток и имеющими электростатические заряды на полюсах (дипольная гипотеза). Однако, эта гипотеза не была подтверждена экспериментально и сегодня представляет лишь исторический интерес.
Дальнейшее развитие представлений в области биоэлектричества связано с именем В.Ю.Чаговца, высказавшем гипотезу об ионной природе этих явлений (1896). В частности, он считал, что в процессе жизнедеятельности клеток синтезируются различные органические кислоты, которые согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса в водной фазе протоплазмы клеток диссоциируют на ионы водорода и анионы. Положительно заряженные ионы водорода более подвижны, чем анионы, в связи с чем они выходят на поверхность клеток, формируя положительный заряд на них. Анионы же остаются в протоплазме и формируют ее электроотрицательность. Однако, эта гипотеза не нашла своего подтверждения: при таком механизме формированияразности потенциалов в клетках рН межклеточной жидкости должна быть кислой, тогда как в реальности она нейтральная. Кроме того абсолютное значение разности потенциалов, согласно этой гипотезе, должно быть меньшей, чем установлено экспериментально. На следующем этапе изучения электрогенеза в тканях возникла классическая мембранно-ионная теория, автором которой был один из учеников Э.Дю Буа-Реймона Ю.Берштейн (1902). Согласно его взглядам, ведущими факторами формирования разности потенциалов в клетке в состоянии покоя является ее полупроницаемая мембрана и ионная асимметрия. В своих представлениях Ю.Берштейн опирался на опыт Оствальда, демонстрирующего появление разности потенциалов между двумя половинами сосуда с раствором К2 SО, перегороженного полупроницаемой мембраной. Величина этой разности потенциалов должна соответствовать расчетной на основе формулы Нернста:
Е= ((R*Т) / (F*n)) * Ln (К+ Н / К+ В),
где Е- разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны, R - газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F - число Фарадея, К+ Н и К+ В –внутренняя и наружная концентрация ионов калия (число Фарадея – заряд 1 моля одновалентных ионов, газовая постоянная – кинетическая энергия одного моля ионов при Т=1К). В целом верно отражая механизм электрогенеза, теория Ю.Берштейна не во всех случаях корректно объясняла электрофизиологические феномены, например, происхождение части высоковольтного пика – овершута, не объясняла причину возникновения исходных ионных градиентов.
Развитие представлений Ю.Берштейна нашло в работах английских физиологов Эндрю Ф.Хаксли, Алана Л.Ходжкина и Бернарда Катца. Согласно их взглядам, природу МПП можно объяснить, базируясь на следующих положениях.
Современная мембранно-ионная теория.
1. В возбудимых клетках специальными энергозатратными механизмами («калий-натриевый насос») создается ионная асиммтрия: ионы Na+ накапливаются в межклеточном пространстве, а К+ - внутри клетки;
2. В соответствии с теорией электролитической диссоциации Аррениуса катионы в протоплазме и межклеточной жидкости находятся в электростатическом взаимодействии с комплементарными им анионами;
3. Мембрана клетки играет одну из ведущих ролей в формировании МПП: в состоянии покоя мембрана клетки селективно (избирательно) проницаема для ионов К+ и в меньшей степени для ионов Cl-. Экспериментально было установлено, что в гигантском аксоне кальмара (один из основных экспериментальных объектов нейрофизиологии 40-60 годов нашего столетия) в состоянии покоя соотношение показателей проницаемости для отдельных ионов составляет Рк: Р Na: Р Cl = 1.0: 0.04: 0.45.
В связи с указанными обстоятельствами ионы К+ начинают покидать клетку в соответствии с концентрационным градиентом, увлекая за собой электростатически взаимодействующие с ними анионы. Однако, последние не могут выйти из клетки, поскольку клеточная мембрана препятствует этому. Таким образом выступает в роли своеобразного фильтра, на одной стороне которого скапливаются ионы К+ , формирующие положительный заряд поверхности клетки, а с другой стороны – анионы, формирующие отрицательный заряд протоплазмы. Определенную лепту в формирование суммарного отрицательного потенциала протоплазмы вносят и ионы хлора, перемещающиеся из межклеточной жидкости в протоплазму по концентрационному градиенту. Суммарную разность потенциалов между поверхностью клетки и ее содержимым можно рассчитать на основании уравнения Гольдмана:
Е= (R*Т/ F*n)*Ln (PK + PNa Na H + + P Cl Cl H – / PKK В + + PCl Cl- В),
где Е – разность потенциалов; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; F – число Фарадея.
Представленные выше механизмы МПП отражают так называемую “ионную” его компоненту. В последнее время показано, что еще один фактор принимает участие в формировании электрогенеза в состоянии относительного физиологического покоя. Речь идет о “метаболической” компоненте. Ее роль играет “натрий – калиевый насос”. Элементами насосаявляются: натрий-калиевая АТФаза, АТФ-АДФ, макромоллекула, встроенная в структуру мембраны и транспортируемые катионы. Указанный механизм работает таким образом, что при транспортировке двух ионов калия внутрь клетки одновременно за ее пределыпереносится три иона натрия. Данное обстоятельство приводит к еще большему увеличению положительного заряда поверхности мембраны клеток.
4. При воздействии на клетку раздражителем в последней возникает возбуждение. В зависимости от силовых характеристик раздражителя возможны два варианта возбуждения: местное и распостраняющееся. Одним из проявлений местного возбуждения в клетке является локальный ответ. Локальным ответом называется такое колебание мембранного потенциала клетки, которое возникает при действии раздражителя, составляющем по силе от 50% от порога возбудимости и до его достижения. Если величина раздражителя становится пороговой или надпороговой, в раздражаемой клетке генерируется потенциал действия. Потенциал действия – это быстрое колебание мембранного потенциала возбудимых клеток, возникающее, как отмечалось выше, в условиях действия раздражителей пороговой и надпороговой величины (рис.2).
Потенциал действия состоит из следующих временных отрезков:
1 – периода латентного дополнения =ЛО;
2 – периода генерации высоковольтного пика = ПД;
3 - периода генерации следовых процессов = “хвост” ≠ПД.
Рис.2 Форма кривой потенциала при возбуждении (при внутриклеточном отведении).
В самой же кривой различают локальный ответ (ЛО), высоковольтный пик (ВП) с моментами перехода через нулевой уровень – инверсией (И) и реверсией (Р) и следовые процессы – следовая деполяризация и следовая гиперполяризация.
КУД – критический уровень деполяризации (уровень мембранного потенциала клетки, при достижении которого генерируется потенциал действия). Процессы, связанные с уменьшением исходной разности потенциалов, носят название деполяризации, а с ее востановлением – реполяризации.
Сравнительные характеристики локального ответа и потенциала действия.
ХАРАКТЕРИСТИКА | ЛОКАЛЬНЫЙ ОТВЕТ | ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ |
Отношение к раздражителям | Возникает при действии раздражителей, составляю-щих 50 % от порога и до его достижения. | Возникает при действии пороговых и надпороговых раздражителей |
Реализуется в соответствии с Способность к суммации Возбудимость Проводимость Распространяется Проницаемость по отношению к ионам Na+ Проницаемость по отношению к ионам K+ | “законом силы” + повышается повышается с затуханием повышается не меняется | законом “все или ничего” __ меняется неоднозначно меняется неоднозначно без затухания вначале повышается, а затем понижается повышается при реполяризации |
Механизм изменения проницаемости мембраны по отношению к различным ионам связан с наличием в мембране специальных образований, получивших название ионных каналов.
В последние годы показано, что в мембранах возбудимых клеток имеются специфические (селективные) натриевые, калиевые, хлорные и кальциевые каналы, т.е. каналы, избирательно пропускающие только ионы Na+, K+, Cl-, Ca++. Эти каналы обладают воротными механизмами: активационными и инактивационными и являются потенциалзависимыми. Воротный механизм – это белковая молекула, имеющая радикальную группу, которая выступает в просвет канала. Положение такой молекулы по отношению к просвету канала определяет его состояние. Кроме указанного типа каналов, имеются так называемые неспецифические (потенциалнезависимые) каналы, не имеющие воротных механизмов.
В воротном механизме принято различать m – активационные ворота и h – инактивационные (рис.3).
А Б В
m m m
h h h
Рис.3. Схема структуры селективных каналов мембраны.
А – состояние относительного покоя;
Б – состояние возбуждения;
В – состояние инактивации.
Неспецифические каналы не имеют воротных механизмов. В этой связи они всегда проницаемы для всех ионов, а ток через них определяется концентрационными градиентами.
6. Как отмечалось выше, при генерации потенциала действия в возбудимых клетках возбудимость меняется неоднозначно. На рис.3 представлены соотношения между изменениями мембранного потенциала при возбуждении и возбудимостью клетки.
Рис. 4. Соотношение потенциала действия и кривой изменения возбудимости клетки.
Дата публикования: 2014-12-10; Прочитано: 262 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!