Характеристика мембранного потенциала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1

Физиология - наука о функциях и процессах протекающих в организме или его состояниях системах, органах, тканях, клетках, и механизмах регуляции обеспечивающих жизнедеятельность человека во взаимодействии с окружающей средой в норме.

Организм - совокупность высокого числа клеток, которые постоянно меняют уровень активности в зависимости от условий среды обитания. (например слюнная железа в покое слюны мало, при поглощении пищи слюны много), клетка может быть в покое и возбуждении.

Изменение функционального статуса клеток связано с действием раздражителей - факторов среды обитания. Есть 2-х видов:

Физиологические: звук, АД, температура, давление - они действуют преимущественно из внешней среды.

Химические: соединение и вещества различной сложности (БАВ, гормоны, элементы) - действуют частично изнутри.

Типы реагирования клетки на химические раздражители.

Морфогенетический - ярко проявляется в постнатальном онтогенезе. Клетки новорожденного исходный материал, а у взрослого качественно новые по структуре и качеству. Этот процесс управляется гормонами, БАВ. Например: щитовидная железа, половые железы гормоны с током крови идут к клетке. Гормоны регуляторы - действуют на все клетки, проникают в цитоплазму где реагируют с белками рецепторами - особые белки сродные к гормону следовательно образуются гормон-рецепторный комплекс. Он связывается с транспортными белками и идет в клеточное ядро к ДНК, соединяется с фрагментами в следствии этого активируются гены и усиливается синтез ферментов, синтез белков регуляторов это является основой направленного развития клетки структурно и функционально.

Морфогенетическое реагирование медленный процесс развивается минуты, часы и длится годами до 25 лет, после 60 лет обратный процесс. Когда снижается количество гормонов не образуется ГРк, ген не активен наступает старение.

Метаболическое реагирование при котором под влиянием раздражителя изменяется интенсивность процессов идут с разной скоростью. Наиболее известный модулятор обменных реакций адреналин, норадреналин или гормоны щитовидной железы. Гормоны с кровью к клетки, но внутрь не проходят и взаимодействуют на уровне мембраны с хеморецепторами, который способен взаимодействовать, обладает сродством к отдельным гормонам при этом образуется на мембране ГРк. Происходит конформационные изменения белков регуляторов организма вблизи хеморецепторов так называемых G-белков, которые запускают каскад химических реакций в клетке из активирующих ферментов идет метаболизм.

Раздражение - способность клетки отвечать на раздражители изменением объема веществ. Этот тип реагирования более быстрый ч/з несколько секунд одни и те же клетки могут отвечать на разные виды реагирования морфогенетическое и метаболическое.

В ходе эволюции сформировались отдельные виды клеток, которые отвечают на раздражители третьим типом:

Возбуждение. Эти ткани называются возбудимыми (нервная, мышечная, железистая). Возбуждение - особое электрическое состояние клетки связанное с перераспределением электрических зарядов на цитоплазме под влиянием раздражителей. Возбуждение в этих клетках, как механизм запуска специальные реакции. Мышцы - сокращение, нервы - импульс, выделение медиатора, железа - секреция. Этот тип реагирования самый быстрый 1-5 мсек, механизм экстренного воздействия.

Метаболический и морфогенетический для всех тканей, возбуждение, только для возбудимых.

Возьмем клетку возбудимой ткани и с помощью микроэелектрода проткнем мембрану, прибор зарегистрирует разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью это называется мембранный потенциал или потенциал покоя он равен -80 мВ. Мембранный потенциал наблюдается все время пока жива клетка. Он длительный. Оказалось, что в основе МП лежит различная концентрация ионов по обе стороны мембраны.

1896 год. В. Чаговец - гипотеза об ионном механизме электро-потенциалов в живых клетках применил теорию электролитической диссоциации .

1902 год. Н. Берштейн - предложил мембранно-ионную теорию биопотенциалов.

1949 - 1952 Ходжин и Хатс. Согласно обоснованной ими теории наличие мембранного потенциала обусловлено неравенством концентраций ионов калия, натрия, кальция, хлора внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них мембраны. Теория исходит из того, что полупроницаемая мембрана разделяет два раствора содержащих ионы: цитоплазму и межклеточную жидкость. В условиях покоя проницаемость мембраны для ионов калия высокая, а для ионов натрия низкая ионы натрия в гидратированном состоянии крупнее калия, что затрудняет проницаемость через каналы мембраны (селективные). При таких условиях благодаря существующему концентрационному градиенту какое-то количество ионов калия выходит из клетки ч/з селективные каналы мембраны, создавая на ее поверхности избыток положительно заряженных частиц. На внутренне поверхности возникает избыток крупных молекул органических анионов оставшихся без нейтрализующих их калий - положительных ионов (белки, аминокислоты).

Для возникновения потенциала покоя главную роль играет выходящий поток калия из клетки.

При прямом измерении концентрации ионов по обе стороны мембраны оказалось

Мембрана (5-10нм) состоит из белков липидов мукополисахаридов, Липиды - матрикс мембраны; Белки - образуют селективные каналы для ионов и воды, формируют насосы; Мукополисахариды на поверхности осуществляют рецепторные функции.

Обладает значительным сопротивлением (1000 Ом/см2), емкостью = 1 мкФ/см, она постоянная, а сопротивление зависит от состояния ионо-селективных каналов (закрыты они или открыты. Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ.

Селективные каналы.

В мембране есть С-каналы для ионов К, Ca, Na, Cl, обеспеченные воротными механизмами и которые могут быть открытыми или закрытыми. Кроме того в мембране находятся неспецифические каналы, которые не имеют воротных механизмов и которые всегда открытые для ионов калия, натрия, хлора - каналы ионной утечки. Больше всего таких каналов для ионов калия ч/з которые они по градиенту концентрации выходят из клетки обеспечивая мембранный потенциал.

Параллельно потоку калия из клетки в мембране существует механизм (насос), который потребляя энергию АТФ осуществляет противоположный процесс - перекачивает из вне клетки ионы калия внутрь, а ионы натрия наружу ( на два иона калия внутрь, три иона натрия наружу. Основным компонентом насоса является фермент мембранная АТФ-фаза (натрийкалиевая АТФ-фаза). АТФ-фаза активируется при достижении определенной концентрации ионов

Функции мембранного потенциала.

В самой мембране МП проявляется как электрическое поле значительной напряженности 105 В/см. Это поле воздействует на макромолекулы мембраны вызывая конфирмационные изменения, что играет важную роль при открытии и закрытии селективных каналов имеющих воротный механизм. Величина МП равна 90 мВ. При прямом измерении величины МП оказалось, что его величина у разных клеток равняется в среднем:

Скелетная 60-90 мВ

Нервные 50-80 мВ

Гладкие мышцы 40 - 70 мВ

Миокард 80 - 90 мВ

Если принять, что МП определяется диффузией только ионов калия, то рассчитанная величина по уравнению Нернста равна 97 мВ.

Одновременно с диффузией калия наружу по градиенту концентрации в клетку поступает некоторые кол-во ионов натрия, которые в клетке значительно меньше, немного анионов хлора захваченного натрием так же поступает к клетки, этот поток натрия снижает величину МП.

МП регистрируется с помощью микроэлектрода - тонкая стеклянная трубочка пипетки с кончиком 0,5 - 1 мкм введенный в клетку через прокол мембраны не вызывает быстрой гибели клетки, но позволяет наблюдать за изменениями электрических потенциалов на мембране. Изнутри он заполнен 3 молярным раствором калия или натрия хлор поэтому хорошо проводит электрический ток. Соединяется с усилителем биопотенциалов и регистрирующим устройством осциллографом.

При проколе мембраны луч осциллографа откланяется и МП выглядит как ступенька. МП в покое постоянен. При воздействии на клетку раздражителей разной природы МП меняет свою величину: уменьшение МП деполяризация; увеличение - гиперполяризацией

Деполяризация мембраны на подпороговые раздражители - Локальный ответ после прекращение действия этих раздражителей МП быстро восстанавливается до исходной величины.

Если раздражитель способен деполяризовать до КУД, то возникает новое явление на мембране - потенциал действия это быстрая пикообразное колебание мембранного потенциала в ответ на действие порогового тока сопровождаемое перезарядкой мембраны (спайк, нервный импульс).

Отличие ПД от ЛО:

ПД ЛО

Возбуждение - это процесс генерации потенциала действия

ПД=возбуждение. Продолжительность и амплитуда ПД не зависит от силы раздражителя его природы.

Сила раздражителя влияет лишь на скорость (продолжительность) пороговой деполяризации. Этот параметр составляет латентный период потенциала действия.

Фазы потенциала действия:

локальный ответ (пороговая деполяризация)

фаза быстрой деполяризации

перескок (овершут) - фаза перезарядки

фаза реполяризации

следовой отрицательный потенциал

следовой положительный потенциал

(Д. С. Воронцов 1926 год, кафедра физиологии СГИ открытие следовых потенциалов). После развития следовых потенциалов мембранный потенциал восстанавливается.

Параметры ПД: длительность 0,5 - 5 мсек; амплитуда - 110 мВ. Для разных тканей длительность и амплитуда ПД варьирует длительность ПД в миокарде 270 мс; амплитуда ПД для мышечной ткани 100 мВ). После развития следовых потенциалов мембранный потенциал восстанавливается.

ДU - пороговая деполяризация зависит от возбудимости.

Из рисунка видно что величина ПД = ДU=-90 - -60 = -30 мВ. ДU - величина на которую должен сместится МП, что бы возник потенциал действия. клетка ион мембранный потенциал

Его величина зависит только от характеристик мембраны (а не от свойств раздражителя):величины МП и величины КУД. Например:

Клетка Б более возбудима т.к ДU2< ДU1.

Чем меньше ПД (ДU), тем более возбудима клетка.

Возбудимость ткани на фоне потенциала действия.

N - нормальный уровень возбудимости

+повышение возбудимости

- снижение возбудимости

1. на фоне порогового потенциала возбудимость возрастает

2. во время развития ПД возбудимость равна 0 (фаза абсолютной рефрактерности)

3. фаза относительной рефрактерности - в эту фазу сверх пороговые раздражители могут вызвать повторное ПД. В фазу абсолютной рефрактерности любой по силе раздражитель не может вызвать повторный ПД

4. Фаза нормальной возбудимости

5. Фаза снижения возбудимости на фоне следового положительного потенциала.

Длительность абсолютного рефрактерного периода определяет способность ткани к повторному многократному возбуждению это способность называется - лабильность или функциональная подвижность (Н. Е. Введенский). Мерой лабильности является количество ПД которое способно генерировать ткань в единицу времени. Для сравнения: лабильность слухового нерва 1000 импульсов/сек, лабильность мышцы 150 ПД/сек, синапса 100 и/сек, миокард 3 ПД/сек.

Ионные механизмы ПД.

Раздражители влияя на клетку воздействуют на группу селективных каналов имеющих воротные механизмы

В покое эти каналы закрыты (рассмотрим натриевый канал). Они открываются во время деполяризации. В ответ на начальную деполяризацию мембраны вызванную раздражением открывается лишь небольшое число каналов. Их открытие однако приводит к возникновению натриевого тока внутрь клетки, который увеличивает деполяризацию мембраны и которая открывает новые каналы - процесс сам себя «раскручивает» - регенеративная деполяризация. Раздражение при этом. Начальная деполяризация является только запускающим моментом, толчком, а дальше процесс сам себя развивает.

Внутри натриевых каналов имеется воротный механизм контролируемый МП ч/з заряженный сенсор в липидной части мембраны при деполяризации эти сенсоры смещаются вызывая конформационные изменения белковыз молекул выполняющих роль ворот - открывается вход в канал. Канал открывается на 1-3 мс, а затем наступает инактивация натриевой проводимости (прекращение тока натрия) обеспечивающаяся воротным механизмом у внутреннего конца канала.

Причина развития ПД основным ионным механизмом является входящий поток ионов натрия в клетку (МП главное выходящий поток калия из клетки).

Локальные ответы возникают тоже при активации натриевых потенциал зависимых электровозбудимых каналах. ПД возникает, когда количество этих активированных натриевых каналов достигает критической величины и когда процесс начинает сам себя раскручивать. Вход натрия обеспечивает восходящую фазу ПД, а несколько запаздывающий ток калия из клетки ч/з активированные потенциал зависимые калиевые каналы фазу реполяризации ПД. Калиевые потенциал зависимые каналы имеют такой же воротный механизм, но они расположены изнутри мембраны и активируются в фазу реполяризации ПД.

Положение активационных (А) и инактивационных (И) ворот натриевого канала в покое, возбуждении и реполяризации.

Кальциевые каналы имеют такую же структуру, но характеризуются медленной кинетикой процессов активации и инактивации. Уравновешиванию концентрационных сдвигов мешает калий-натриевый насос активный перенос ионов Na и К ч/з мембрану с затратой АТФ, повышением температуры затратой кислорода.

Лекция 2

Для изучения работы селективных каналов применяют вещества избирательно блокирующие канал: тетродотоксин - натриевые каналы, яд рыбы - шар, тетраэтиламмоний - клиевыеканалы, новокаин - нитриевые каналы, нифедипин, верапамил - кальцыевые каналы.

Если на возбудимую ткань воздействовать различными агентами (холод, раздавливание, этиловый спирт, раствор хлорида калия), то в этом участке наблюдается снижение возбудимости ткани, которое проявляется в первую очередь снижением ее лабильности. В участие воздействия (альтерации наблюдается явление парабиоза. ПАРАБИОЗ около жизненное состояние, повреждения, но не гибель ткани. Например при ушибах ожогах, обморожениях возбудимая ткань может погибнуть или восстановится. Но некоторое время она пребывает в состоянии парабиоза (Н. Е. Введенский). Он описал фазы парабиоза, через которые закономерно в условиях альтерации сменяют друг друга:

уравнительная фаза

парадоксальная фаза

тормозная фаза

гибель ткани - не фаза парабиоза, а его исход если действия агента продолжается.

Наблюдать фазы парабиоза можно на нервном стволе лягушки в опыте. Схема опыта.

В исходном состоянии имеем: раздражаем нерв 100 импульсами/с, получаем на регистраторе 100 ПД/сек; раздражая 50 импульсов, получаем 50 ПД.

При охлаждении нерва наблюдаем первую уравнительную фазу. Когда раздражая нерв 100 и 50 импульсами на регистраторе получаем 50 ПД - одинаково (разные по частоте раздражители уравниваются по количеству вызываемых ими ПД.

Продолжая охлаждение наблюдается парадоксальная фаза, когда более высокочастотный раздражитель вызывает возникновение меньшего количества ПД в месте регистрации, по сравнению с низкочастотным 50 импульсов.

Если охлаждение продолжать, то наступает тормозная фаза, когда оба по частоте раздражителя не вызывают никакого эффекта. Если на этой стадии прекратить действие альтернирующего агента (в нашем случае холода), то ткань вернется в первоначальное исходное состояние пройдя эти фазы в обратном порядке.

Если действие агента продолжить то ткань погибает.

Законы раздражение возбудимых тканей.

В эксперименте законы возбуждения удобно изучать на нервно-мышечном аппарате лягушки.

1. Раздражение НМА через нерв называется - непрямым раздражением мышцы.

2. Раздражение непосредственно самой мышцы прямое раздражение.

Первый закон: Закон силы раздражения - чем сильнее раздражение, тем сильнее ответная реакция возбудимой ткани.

Если разговор идет о возбудимой ткани то имеется в виду, что она состоит из множества отдельных клеток (мышца, нервный ствол). Отдельные клетки в силу разных причин обладают разным порогом возбудимости, поэтому в начале в мышце сокращаются наиболее возбудимые клетки (пороговое сокращение), а затем по мере увеличения силы раздражителя в сокращение вовлекаются все новые и новые менее возбудимые клетки. Когда все клетки возбуждены, увеличение амплитуды раздражителя не вызывает прироста ответной реакции (сокращения). Если речь идет об одной возбудимой клетке (то здесь действует закон все или ничего).

Второй закон: Чем длительно раздражение, тем сильнее ответная реакция возбудимой ткани.

Очевидно, что для возникновения возбуждение недостаточно действовать на возбудимую ткань только силой раздражения - необходимо, чтобы раздражение длилось какое то время.

РЕОБАЗА - та минимальная сила раздражение, на которую при практически неограниченном большой длительностью ее действия возникнет минимальная ответная реакция.

Наименьшая длительность раздражения силой в одну реобазу необходимая для возникновения возбуждения называется полезным временем.

В реальности все раздражители обладают одновременно двумя неотделимыми друг от друга параметрами - силой и длительностью следовательно помимо порога возбуждения, выделяют и порог времени возбуждения. Чем больше сила раздражителя, тем меньше требуется времени для возникновения ПД, то есть для каждой силы есть свой порог возбуждения.

Это взаимоотношение иллюстрирует кривая силы времени.

0-1 - реобаза

0-4 - полезное время

0-3 - хронаксия

ХРОНАКСИЯ - минимальное время в течении которого раздражитель с силой равной двум реобазам вызывает возбуждение.

Хронаксию используют в клинике нервных болезней для оценки степени поражения нервной и мышечной ткани, оценки эффективности лечения, чем

Третий закон: Чем выше градиент (крутизна) раздражения, тем сильнее ответная реакция возбудимой ткани.

Например на быстровозрастающую от 0 до порогового значения силу раздражения ткань отвечает сокращением. На силу во много раз превышающую пороговую, но нарастающую во времени медленно (малый градиент) возбуждение не возникает и все ограничивается возникновением, только локальных токов т.к. наблюдается смещение КУД. Это явление лежит в основе аккомодации - приспособление возбудимой ткани к медленному действию раздражителя.

Измеряется в вольтах/сек. Смещение КУД объясняется частичной инактивацией натриевых каналов и параллельной активацией калиевых.

Действие постоянного тока на возбудимые ткани.

В медицине в экспериментальных целях часто применяется постоянный ток в качестве раздражителя. Его раздражающее действие имеет ряд характерных особенностей.

Постоянный ток оказывает раздражающее действие в моменты замыкания и размыкания цепи. В момент замыкание возбуждение возникает на катоде (-), а при размыкании на аноде (+). Это называется полярным законом. Этот закон можно наблюдать на НМП, у которого участок нерва между электродами разрушен.

В ситуации а ближе к мышце на не повреждененном месте находится катод поэтому сокращение возникнет при замыкании цепи. Размыкание цепи не вызовет сокращение поскольку анод расположен за поврежденным участком нерва.

В ситуации б наоборот сокращение при размыкании цепи поскольку анод расположен на неповрежденном нерве.

При приложении катода к мембране клетки наблюдается ее деполяризация. Если величина катода достигает пороговой, то возникает ПД.

На фоне действия подпорогового возбудимость клетки повышается. Противоположное наблюдаем на аноде - наблюдается гиперполяризация мембраны. На ее фоне возбудимость ткани снижается - анодическая депрессия. Вслед за ней при продолжающемся действии анода начинается смещение КУД до уровня МП (см. рисунок). Выключение цепи приводит к тому, что гиперполяризованная мембрана возвращается к исходному уровню где встречается со снижемся уровня КУД (анода размыкательное возбуждение).

При пропускании сильного постоянного тока длительно в области катода вслед за повышением возбудимости тканей наступает резкое снижение - катодическая депрессия. Связано со смещением КУД.

Размещено на Allbest.ru