Биоэлектрические потенциалы 1

Значение биопотенциалов Одна из важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции в нутриклеточных процессов, работы нерв ной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется и лечебное воздействие на ткани и органы в нешними электрическими импульсами при электростимуляции. 2

Виды мембранных биопотенциалов: – Потенциал покоя – разность электрических потенциалов между в нутренней и наружной поверхностью мембраны нормально функционирующей клетки в невозбужденном состоянии: φ м = φ в н – φ нар – Потенциал действия (возбуждения ) – разность потенциалов на мембране, регистрируемая в момент возбуждения между возбужденными и невозбужденными участками мембраны. – Потенциал повреждения – регистрируется между поврежденными и неповрежденными участками клетки, ткани, органа. 3

Причины возникновения мембранных потенциалов Возникновение мембранных потенциалов связано с неравенством концентрации ионов в нутри клетки и в окружающей среде и неодинаковой проницаемостью клеточной мембраны для разных ионов. 4

Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен: микроэлектродная техника; создание усилителей биопотенциалов, обладающих высоким входным сопротивлением и высокой чувствительностью (токи до А); выбор удачных объектов исследования, начиная от гигантского аксона кальмара и гигантских нейронов пресноводных моллюсков и заканчивая различными модельными мембранами. ( Ø аксона = 0,5 мм (в раз больше Ø аксонов позвоночных) 5

Если концентрация какого-либо иона в нутри клетки С in отличается от концентрации этого иона снаружи С out, и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов в нутри и снаружи клетки φ м = φ в н – φ нар, которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. 6

Механизм формирования потенциала покоя Рав новесие – это такое состояние системы, при котором каждая частица может переходить из некоторого состояния 1 в некоторое состояние 2 и обратно, но в целом доля состояний 1 и 2 в системе не изменяется. При установлении рав новесия вырав ниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны ( μ in = μ out ). 7

Рав новесный потенциал Так как μ = μ 0 + RTlnC + zF φ, то RTlnC in + zF φ in = RTlnC out + zF φ out Отсюда легко получить формулу Нернста для рав новесного мембранного потенциала : φ м р = φ In – φ out = -(RT/zF)(lnC in /C out ) Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (z = +1) : φ м р = -2,3(RT/F)(lgC in /C out ), где φ м р – рав новесный потенциал, определяемый как разность потенциалов по обе стороны мембраны; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура (К); z – заряд иона; F – постоянная Фарадея; C in и C out – концентрации потенциал- определяющих ионов по обе стороны мембраны. 8

Урав нение Гольдмана: где Р к, Р Na, P Cl – коэффициенты проницаемости для соответствующих ионов в нутри (in) и снаружи (out) клетки. φ м 9 φмφм φмφм

В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К + значительно больше, чем для Na +, и больше, чем для Сl - : P K > > P Na Р К > Р Сl Для аксона кальмара: Р к : Р Na :P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 10

Урав нения Нернста и Гольдмана не учитывают актив ного транспорта ионов через мембрану. С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранных потенциалов используют урав нение Томаса: где m – отношение количества ионов натрия к ионам калия, перекачиваемых ионными насосами через мембрану. Чаще всего Na +,К + - АТФаза работает в режиме, когда m = 3/2. Цитоплазма клетки в состоянии покоя всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к межклеточной жидкости. 11 φмφм

Потенциал действия (возбуждения) – разность потенциалов на мембране, регистрируемая в момент возбуждения между возбужденными и невозбужденными участками мембраны. Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. 12

Исследование потенциала действия а - схема опыта (Г - генератор импульсов, Р - регистратор напряжения); б - потенциал действия (V – амплитуда импульса, φ м п - потенциал покоя, φ м рев - потенциал реверсии, φ м д - амплитуда потенциала действия, φ м пор – пороговый потенциал) Г 13

В нерв ных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия возбуждения еще в течение 1- 3 мс в мембране наблюдаются некоторые остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна (невозбудима). Новый деполяризующий потенциал может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Причем амплитуда потенциала действия не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала. 14

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 Омм 2 в покое до 0,0025 Омм 2 при возбуждении). 15

При развитии потенциала действия наряду с изменением проницаемости происходит кратковременное увеличение электропроводности мембраны. В первой фазе ПД - фазе деполяризации - усиленный поток ионов Nа +, направленный в нутрь клетки, урав новешивает концентрационный градиент, и поступление в клетку натрия прекращается. Внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. В это время отношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара составляет: Р К : Р Nа : Р Сl = 1 : 20 : 0,45, т.е. проницаемость мембраны для Na + увеличивается в 500 раз за 0,5-1 мс (по срав нению с состоянием покоя). 16

Затем возрастает проницаемость мембраны для ионов К +, и усиливается диффузия этих ионов из клетки. В результате происходит уменьшение мембранного потенциала, что, в свою очередь, снижает проницаемость мембраны для Nа +. Это продолжается до тех пор, пока потенциал покоя не восстановится. После этого проницаемость для ионов К + падает до исходного уров ня. Фаза, в течение которой мембранный потенциал возвращается к уров ню потенциала покоя, называется фазой реполяризации. Она осуществляется не в результате обратного перемещения ионов Nа +, а вследствие выхода из клетки эквивалентного количества ионов К +. Фаза реполяризации всегда продолжительнее фазы деполяризации. Следовательно, формирование ПД обусловлено двумя ионными потоками через биомембрану, которые приблизительно рав ны по величине, но сдвинуты во времени. 17

Возбуждение мембраны описывается урав нением Ходжкина-Хаксли: I м = C м (dφ м /dt) + ΣI i, где I м - ток через мембрану, С м - емкость мембраны, ΣI i - сумма ионных токов через мембрану. Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: - ионов калия - I К - натрия - I Na - и других ионов, в том числе Сl - - так называемого тока утечки I ут - а также емкостного тока. Емкостный ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую. 18

Распространение нерв ного импульса вдоль возбудимого волокна Если в каком-нибудь участке возбудимой мембраны сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована, возбуждение распространяется на другие участки мембраны: 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). 19

Локальные электрические токи приводят к повышению потенциала в нутренней поверхности невозбужденного участка мембраны φ в н и к понижению φ нар наружного потенциала невозбужденного участка мембраны, оказавшегося по соседству с возбужденной зоной. Таким образом, отрицательный потенциал покоя φ м п уменьшается по абсолютной величине, то есть повышается. В областях, близких к возбужденному участку, φ м 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. 20

Возбуждение может распространяться только в область мембраны, находящуюся в состоянии покоя, то есть в одну сторону от возбужденного участка аксона. В другую сторону нерв ный импульс не может распространяться, так как области, через которые прошло возбуждение, некоторое время остаются невозбудимыми – рефрактерными. 21

Повышение мембранного потенциала – величина деполяризующего потенциала V, передаваемого от возбужденных участков вдоль мембраны, зависит от расстояния х (как это следует из электродинамики) по формуле: V(x) = V 0 e -x/ λ, V 0 - повышение мембранного потенциала в зоне возбуждения, х – расстояние от возбужденного участка; λ – константа длины нерв ного волокна, рав ная расстоянию, на котором деполяризующий потенциал уменьшается в е раз. λ = (r m δa)/2r i (r m – удельное сопротивление оболочки волокна, δ – толщина оболочки, а – радиус нерв ного волокна, r i – удельное электрическое сопротивление цитоплазмы. 22

Большую скорость распространения нерв ного импульса по аксону кальмара обеспечивает их гигантский по срав нению с аксонами позвоночных диаметр. Возбуждение по миелинизированному волокну распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата Ранвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого: Нерв ные импульсы проводятся по аксонам в какой-то степени аналогично тому, как передаются электрические сигналы по кабельно-релейной 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. 23

Спасибо за в нимание ! 24