ВОЕННО–МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С.М. Кирова Кафедра биологической и медицинской физики ЛЕКЦИЯ 13 по дисциплине «Физика, математика» на тему: «Механизмы биоэлектрогенеза» для курсантов и студентов I курса ФПВ, ФПиУГВ, спецфакультета

Живые ткани обладают не только пассивными, но и активными электрическими свойствами. Генерация и распространение биопотенциалов (биоэлектрогенез) является одной из важнейших функций биологических мембран.

Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследовании электрических полей, созданных за счет биопотенциалов органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие.

Предположения о существовании "животного электричества", то есть о способности живых тканей генерировать электромагнитную энергию, возникли еще в 17 веке. Однако в течение длительного времени считалось, что такой способностью наделены только специальные электрические органы некоторых представителей животного мира (электрических рыб).

Экспериментальное доказательство того, что биоэлектрогенез присущ нервам и мышцам лягушки и имеет, таким образом, универсальный характер принадлежит Луиджи Гальвани (цикл работ гг.).

Луиджи Гальвани ( ) Алессандро Вольта ( )

Понимание природы биоэлектрогенеза стало понятным только после появления теории электролитической диссоциации (Сванте Аррениус, 1887, Нобелевская премия 1903 г.). Первая попытка применения теории электролитической диссоциации к объяснению механизмов биоэлектрогенеза принадлежит Василию Юрьевичу Чаговцу, который осуществил это в 1896 г., обучаясь на третьем курсе Военно-медицинской академии.

В.Ю. Чаговец ( ) Труды: О применении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям на живых тканях, "Журнал Русского физико- химического об-ва. Часть химическая", 1896, т. 28, вып. 7; Очерк электрических явлений на живых тканях, с точки зрения новейших физико-химических теорий, вып. 12, СПб, (Дисс).

По современным представлениям, биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы. Мембранным потенциалом называют трансмембранную разность потенциалов, то есть разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны.

Для возникновения трансмембранной разности потенциалов необходимы два обязательных условия: 1) существование концентрационных градиентов электролитов на клеточной мембране; 2) неодинаковая проницаемость этой мембраны для катионов и анионов, на которые диссоциируют электролиты в живых тканях.

1. Механизм возникновения потенциала покоя на биологических мембранах. Формула Нернста, формула Гольдмана Потенциал покоя – это стационарная разность потенциалов между внешней и внутренней средой клетки, существующая на наружной мембране клетки в невозбужденном состоянии.

Зарегистрировать эту трансмембранную разность потенциалов можно при использовании микроэлектродной техники.

Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (диаметр кончика 0,1-0,5 мкм), заполненную раствором электролита (обычно 3 М раствором KCl). Таким электродом можно проколоть наружную мембрану клетки, не повредив ее.

Второй электрод (электрод сравнения), потенциал которого принимают равным 0, помещают в раствор у наружной поверхности клетки. Регистрирующее устройство, содержащее усилитель постоянного тока, позволяет измерить трансмембранную разность потенциалов.

При этом в нервных и скелетных мышечных волокнах различных животных регистрируется разность потенциалов, равная примерно мВ, причем внутренняя поверхность клеточной мембраны имеет отрицательный потенциал по отношению к внешней.

Как же реализуются обязательные условия биоэлектрогенеза на наружной мембране клетки в состоянии покоя?

1) В цитоплазме позвоночных животных преобладают калиевые соли высокомолекулярных соединений (кислот), тогда как в межклеточной среде гораздо выше концентрация натриевых солей неорганических кислот.

В гигантском аксоне кальмара: Ион Концентрация внутри клетки Концентрация во внеклеточной среде K+K+ 340 ммоль/л10 ммоль/л Na + 49 ммоль/л463 ммоль/л Cl ммоль/л592 ммоль/л

2) В покое проницаемость наружной мембраны клетки для ионов калия значительно больше, чем для натрия, и больше, чем для ионов хлора: Р К+ >> P Na+ P K+ > P Cl-

Например, для аксона кальмара: Р К : Р Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 Такая проницаемость обусловлена наличием в наружной мембране так называемых потенциалнезависимых каналов, избирательно пропускающих ионы калия, натрия или хлора.

Если концентрация какого-либо иона внутри клетки отлична от концентрации этого иона снаружи, и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану. Происходит пространственное разобщение противоположных по знаку ионов.

Вследствие этого электрическая нейтральность системы нарушается, образуется разность потенциалов (градиент потенциала) между наружной и внутренней средой, которая препятствует дальнейшему переносу ионов через мембрану.

При установлении равновесия между концентрационным и электрическим градиентом выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны и устанавливается равновесный потенциал для этого иона, который рассчитывается по формуле Нернста. μ = μ 0 + RTlnC + zF φ

При равновесии: RTlnC i + zF φ i = RTlnC e + zF φ e Отсюда:

Если принять, что мембранный потенциал обусловлен только переносом ионов калия, то калиевый равновесный потенциал равен:

Расчеты показывают, что для создания такого равновесного потенциала через мембрану клетки должно пройти всего % ионов калия от общего их содержания внутри клетки (изменение концентрации калия всего на ммоль/л).

Это пренебрежимо малое количество ионов калия по сравнению с общим их количеством в клетке.

Величина равновесного калиевого потенциала, рассчитанного по этой формуле, несколько больше значения, измеряемого в эксперименте.

Причина расхождения рассчитанного по формуле Нернста и экспериментального значения мембранного потенциала состоит в том, что не учтена проницаемость мембраны для других электрогенных ионов (натрия и хлора).

Более точно с экспериментальными данными совпадает результат расчета по уравнению Гольдмана:

И формула Нернста, и формула Гольдмана не учитывают активного транспорта ионов через мембрану – наличия в мембране электрогенного биологического насоса – K + - Na + -АТФазы, перекачивающей калий внутрь клетки, а натрий наружу в неравновесных соотношениях.

Чаще всего АТФаза работает в режиме 3Na:2K, то есть за счет работы АТФазы мембранный потенциал больше по абсолютной величине, чем мембранный потенциал, рассчитанный по уравнению Гольдмана.

Если прекратить поступление Na + в клетку, например, путем замещения внеклеточного натрия на такой неспособный к диффузии катион, как холин, то МП будет близок к калиевому равновесному потенциалу.

Нарушение работы K + -Na + -АТФазы приводит к уменьшению мембранного потенциала; в этом случае МП лучше описывается уравнением Гольдмана.

2. Механизм возникновения потенциала действия на возбудимых мембранах Потенциалом действия называется кратковременное изменение трансмембранной разности потенциалов на наружной мембране нервных и мышечных клеток при их возбуждении.

В опытах по изучению потенциала действия используют два микроэлектрода, введенных в мышечную или нервную клетку. На первый микроэлектрод подают импульсы от генератора прямоугольных импульсов, изменяющие мембранный потенциал. Мембранный потенциал измеряют при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения.

Потенциалы действия регистрируются на мембране мышечной или нервной клетки только в том случае, если прямоугольный импульс уменьшает трансмембранную разность потенциалов (является деполяризующим) и имеет достаточную величину (то есть его амплитуда превышает некоторое минимальное (пороговое) значение).

При этом на мембране регистрируются следующие изменения трансмембранной разности потенциалов.

Трансмембранная разность потенциалов вначале падает до нуля, затем на непродолжительное время полярность мембраны изменяется (внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный потенциал), после чего восстанавливается исходный уровень потенциала покоя.

Соответственно, выделяют две фазы потенциала действия – фазу деполяризации и фазу реполяризации. Положительное значение мембранного потенциала носит название потенциала инверсии (overshoot).

В нервных волокнах длительность потенциала действия равна примерно 1 мс; в скелетных мышцах – примерно 10 мс.

Характерные свойства потенциала действия: 1) наличие порогового значения деполяризующего стимула; 2) закон "всё или ничего" – если деполяризующий импульс больше порогового, то развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса; если деполяризующий импульс меньше порогового, то потенциала действия нет;

3) во время развития потенциала действия наблюдается явление рефрактерности (невозбудимости) мембраны; 4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны.

Опыты по изучению механизма возникновения потенциала действия показали, что: а) можно изменять амплитуду потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде; б) при возбуждении резко возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия (показано в опытах с радиоактивным изотопом натрия).

Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов: Р К : Р Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 то в состоянии возбуждения Р К : Р Na : P Cl = 1 : 20 : 0,45. Таким образом, по сравнению с невозбужденным состоянием, при возбуждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.

Это изменение проницаемости связано с тем, что в мембранах мышечных и нервных клеток, способных генерировать ПД (так называемых возбудимых мембранах), имеются особые, так называемые потенциалзависимые натриевые каналы.

Первая фаза ПД (фаза деполяризации) связана с потоком ионов натрия из окружающей среды (где их концентрация больше) в клетку (где их концентрация меньше) через потенциалзависимые натриевые каналы. Следует отметить, что на первых порах (пока мембранный потенциал отрицателен) электрический градиент способствует входу натрия в клетку.

После достижения нулевого значения трансмембранной разности потенциалов входящий поток ионов натрия не прекращается (так как сохраняется концентрационный градиент ионов натрия на мембране), и он будет продолжаться до достижения натриевого равновесного потенциала (выравнивания значений электрохимического потенциала по обе стороны мембраны).

Таким образом, величину потенциала инверсии можно рассчитать по формуле Нернста: Общая же амплитуда ПД будет равна: |ПД| = |ПП| + |ПИ|

Итак, первая фаза ПД (фаза деполяризации) связана со входящим током ионов натрия. Почему же мембранный потенциал не фиксируется на уровне ПИ, а возвращается к исходному уровню потенциала покоя?

Это связано с двумя причинами: 1) Каждый натриевый потенциалзависимый канал открывается только на определенное время (время открытого состояния канала; в среднем 0,7 мс); существует также время, в течение которого велика вероятность открывания отдельного канала (время жизни каналов; для натриевых каналов оно равно примерно 2 мс).

По прошествии времени жизни каналов вероятность их открывания падает до нуля, и этот процесс называется инактивацией натриевого тока.

2) Наряду с натриевыми потенциалзависимыми каналами, в возбудимых мембранах существуют также калиевые потенциалзависимые каналы. Эти каналы имеют среднее время открытого состояния порядка 5 мс, и, в отличие от натриевых каналов, они не инактивируются, пока мембранный потенциал выше порогового значения.

Таким образом, к моменту, когда входящий ток натрия прекращается, проницаемость мембраны для ионов калия достигает максимума, и развивается выходящий калиевый ток, возвращающий мембранный потенциал к исходному уровню.

Следует отметить, что вначале, когда внутренняя сторона мембраны имеет положительный потенциал, электрический градиент способствует выходящему калиевому току.

Итак, первая фаза потенциала действия обусловлена входящим током ионов натрия через натриевые потенциалзависимые каналы, а вторая – выходящим током ионов калия через калиевые потенциалзависимые каналы.

3. Ионные каналы клеточных мембран. Натриевый и калиевый потенциалзависимые каналы имеют сенсоры напряжения – некоторый элемент белковой молекулы, чувствительный к действию электрического поля.

При изменении мембранного потенциала изменяется величина действующей на сенсор силы, в результате эта часть канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот – своеобразных заслонок, действующих по закону "всё или ничего".

Существование ворот было доказано в опытах с регистрацией так называемых "воротных токов" (очень слабых токов, которые в 10 3 раз слабее натриевого тока через канал).

4. Пороговые раздражители. Критический мембранный потенциал. Явление рефрактерности. Возбудимые мембраны генерируют потенциал действия только при действии на них электрических импульсов определенной величины – пороговых и надпороговых раздражителей. Минимальный импульс напряжения, способный вызвать потенциал действия на возбудимой мембране, носит название порогового раздражителя.

Этот импульс сдвигает мембранный потенциал до определенного уровня, называемого критическим мембранным потенциалом. U п = |ПП| - |КМП|

Величина порогового раздражителя является мерой возбудимости мембраны, т.е. ее способности генерировать ПД. Возбудимыми мембранами называют мембраны, способные генерировать ПД. Процесс возникновения ПД называется возбуждением возбудимой мембраны.

Что же такое КМП? Под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Постепенно число открытых каналов растет и входящий натриевый ток увеличивается.

Одновременно увеличивается выходящий калиевый ток через калиевые потенциалнезависимые каналы, но натриевый ток все же растет быстрее.

Уровень трансмембранной разности потенциалов, при котором входящий натриевый ток начинает превышать выходящий калиевый, носит название критического мембранного потенциала.

Начиная с этого уровня, процесс развития потенциала действия становится необратимым (начинается "лавинообразное" открытие натриевых каналов): входящий натриевый ток деполяризует мембрану деполяризация мембраны повышает вероятность открытия натриевых каналов открываются каналы увеличивается входящий натриевый ток.

В этот период возбудимая мембрана не чувствительна к воздействию внешних стимулов, наступает фаза абсолютной рефрактерности, примерно соответствующая по длительности фазе деполяризации потенциала действия.

Далее могут следовать: а) фаза следовой деполяризации (экзальтации) (в этот период вероятность открытия натриевых каналов уже высока, а мембранный потенциал сдвинут по направлению к КМП); б) фаза следовой гиперполяризации (МП сдвинут ниже уровня потенциала покоя).