БИОПОТЕНЦИАЛЫ ЛЕКЦИЯ 1 ПРИРОДА И МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ

БИОПОТЕНЦИАЛЫ ЛЕКЦИЯ 1. ПРИРОДА И МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕРАЦИИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ 1. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ. ПРИРОДА БП. 2. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ. СТАЦИОНАРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ГОЛЬДМАНА. 3. ГЕНЕРАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ. 4. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ.

1. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ. ПРИРОДА БП БИОПОТЕНЦИАЛЫ – ЛЮБЫЕ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ: РАЗНОСТЬ ПОఢ ЕНЦИАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ ЭТО ХАРАКТЕРНАЯ ЧЕРТА ЖИВОГО. РАЗЛИЧАЮТ БИОПОТЕНЦИАЛЫ ДВУХ ВИДОВ: • ПОТЕНЦИАЛЫ ПОКОЯ (ПП) и • ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕЙСТВИЯ (ПД).

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПП и ПД • ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ – ПОСТОЯННО СУЩЕСТВУЮЩАЯ в живой системе разность потенциалов, характерная для СТАЦИОНАРНОГО СОСТОЯНИЯ системы (состояния ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ПОКОЯ). • ПП ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ ПОСТОЯННО ПРОТЕКАЮЩИМИ ЗВЕНЬЯМИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ. • ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ – БЫСТРО ВОЗНИКАЮЩАЯ И ВНОВЬ ИСЧЕЗАЮЩАЯ разность потенциалов, характерная для ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ • Тесная связь с метаболическими процессами • ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ: ПОКАЗАТЕЛЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗМА. • ИХ ВЕЛИЧИНА И ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ В КЛЕТКАХ ЭКГ – в норме и при патологии. электрокардиография, ЭЭГ – электроэнцефалография, ЭМГ – электромиография, ЭГГ – электрогастрография, ЭОГ - электроокулография

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БП • В основе возникновения биопотенциалов – НЕСИММЕТРИЧНОЕ ОТНОСИТЕЛЬНО МЕМБРАНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ, т. е. наличие КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ГРАДИЕНТОВ через мембрану. Это – необходимое условие. • Непосредственная причина – РАЗНАЯ СКОРОСТЬ ДИФФУЗИИ РАЗЛИЧНЫХ ИОНОВ по своим градиентам, определяемая СЕЛЕКТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ МЕМБРАНЫ.

ПРИРОДА БИОПОТЕНЦИАЛОВ БИОПОТЕНЦИАЛЫ – ИОННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ преимущественно МЕМБРАННОЙ ПРИРОДЫ. В настоящее время общепринята МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ. • Автор - БЕРНШТЕЙН. • Развита благодаря работам ученых: ХОДЖКИН, КАТЦ, ХАКСЛИ.

2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ НАТРИЕВЫЙ НАСОС КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ГРАДИЕНТ ИОНОВ НАТРИЯ, НАПРАВЛЕННЫЙ ВНУТРЬ КЛЕТКИ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ГРАДИЕНТ ИОНОВ КАЛИЯ, НАПРАВЛЕННЫЙ ИЗ КЛЕТКИ НАРУЖУ

СОЗДАНИЕ ПП В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ КЛЕТКА ПРОНИЦАЕМА ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ для ИОНОВ КАЛИЯ. • ИОНЫ КАЛИЯ ДИФФУНДИРУЮТ ПО КОНЦЕНТРАЦИОННОМУ ГРАДИЕНТУ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ ИЗ КЛЕТКИ В ОКРУЖАЮЩУЮ ЖИДКОСТЬ. • КРУПНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ АНИОНЫ, имеющиеся в клетке, НЕ МОГУТ ПРЕОДОЛЕТЬ МЕМБРАНУ.

СОЗДАНИЕ ПП ИОНЫ НАТРИЯ проходят через мембрану, но проницаемость для них в покое гораздо меньше. Также значительно меньше, чем для калия, проницаемость мембраны в покое для ИОНОВ ХЛОРА Cl-. PK : PNa : PCl В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ 1 : 0, 04 : 0, 45 е i Na+ Cl+++ ___ К+

СОЗДАНИЕ ПП Благодаря сильному оттоку калия из клетки ВНЕШНЯЯ ПОВЕРХНОСТЬ МЕМБРАНЫ ЗАРЯЖАЕТСЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНО, А ВНУТРЕННЯЯ – ОТРИЦАТЕЛЬНО. ВОЗНИКАЮЩЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ НАЧИНАЕТ ТОРМОЗИТЬ ВЫХОД КАЛИЯ ИЗ КЛЕТКИ, И В КОНЕЧНОМ ИТОГЕ В СИСТЕМЕ УСТАНАВЛИВАЕТСЯ СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ. • РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ В ЭТОМ СОСТОЯНИИ – ПП.

СОЗДАНИЕ ПП ВТОРАЯ ПРИЧИНА ВОЗНИКНОВЕНИЯ В ПОКОЕ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ: ЭЛЕКТРОГЕННОСТЬ КАЛИЙ-НАТРИЕВОГО НАСОСА (выводится в сумме заряд +3, вводится +2). Таким образом, насос участвует в создании потенциала покоя двумя способами: 1) непосредственно создавая электрический потенциал; 2) опосредованно, через создание концентрационных градиентов.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПП С учетом только калиевой проницаемости – e ++++ i –––– К+ по УРАВНЕНИЮ НЕРНСТА:

УРАВНЕНИЕ ГОЛЬДМАНА • Поток Na+ ВНУТРЬ КЛЕТКИ УМЕНЬШЕНИЕ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА • Поток Cl - ВНУТРЬ КЛЕТКИ УВЕЛИЧЕНИЕ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА • С УЧЕТОМ ДИФФУЗИИ ВСЕХ ТРЕХ ИОНОВ (Na+, K+, Cl-) и • в предположении ОДНОРОДНОСТИ ЭП ПО ВСЕЙ ТОЛЩИНЕ МЕМБРАНЫ УРАВНЕНИЕ ГОЛЬДМАНА

УРАВНЕНИЕ ГОЛЬДМАНА

3. ГЕНЕРАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

А) Условия возникновения ПД Любой внешний или внутренний фактор, действующий на систему и изменяющий ее состояние, - «раздражитель» . РАЗДРАЖИТЕЛЬ МИНИМАЛЬНОЙ СИЛЫ, необходимой для ИНИЦИАЦИИ ПД, «ПОРОГОВЫЙ» . Раздражители большей силы – «надпороговые» , меньшей силы – «подпороговые» . Пороговая сила раздражителя находится в обратной зависимости от его длительности (в определенных пределах).

Условия возникновения ПД ПД ВОЗНИКАЕТ ЛИШЬ ПРИ ДЕЙСТВИИ РАЗДРАЖИТЕЛЯ ДОСТАТОЧНОЙ СИЛЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ – ПОРОГОВОГО или НАДПОРОГОВОГО. «ПД» – ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬС ХАРАКТЕРНОЙ ФОРМЫ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВДОЛЬ ВСЕЙ МЕМБРАНЫ.

Б) Фазы ПД ПД СОСТОИТ ИЗ ДВУХ ОСНОВНЫХ ФАЗ: • ВОСХОДЯЩАЯ ФАЗА, или ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ, и • НИСХОДЯЩАЯ ФАЗА, или ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ. ВОЗМОЖНО ТАКЖЕ НАЛИЧИЕ • ФАЗЫ ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ.

Содержание фаз • ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ БЫСТРАЯ ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ: ВНУТРИ «+» , СНАРУЖИ «-» . • ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ – ВОЗВРАЩЕНИЕ ЗАРЯДА И ПОТЕНЦИАЛА МЕМБРАНЫ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ (ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПП). • ФАЗА ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ – ВРЕМЕННОЕ ПРЕВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ПОКОЯ, ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЕ ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПП (БОЛЬШИЙ «-» ВНУТРИ).

АМПЛИТУДА ПД ЗАМЕТНО ПРЕВЫШАЕТ АМПЛИТУДУ ПП. – ОВЕРШУТ ( «ПЕРЕЛЕТ» ).

В) МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ПД МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ: ПД – РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ. ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ ДЛЯ ИОНОВ НАТРИЯ ЕСТЬ ФУНКЦИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА : МП НАТРИЕВАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ .

ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕЙСТВИЕ ПОРОГОВОГО РАЗДРАЖИТЕЛЯ ↓ Уменьшение МП до критической величины (критическая деполяризация) ↓ Резкое увеличение натриевой проницаемости ↓ Усиленный приток натрия в клетку по градиенту ↓ Дальнейшая деполяризация мембраны ↓ П. О. С. Перезарядка мембраны

ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ПРОЦЕСС РАЗВИВАЕТСЯ ПО МЕХАНИЗМУ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ (П. О. С. ): приток натрия в клетку все более деполяризует мембрану, а это приводит к еще большему росту натриевой проницаемости. В КОНЕЧНОМ ИТОГЕ ПРОИСХОДИТ ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ: ее внутренняя поверхность приобретает положительный заряд, а наружная – отрицательный. Иными словами, происходит РЕВЕРСИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА.

ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ PK : PNa : PCl • В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ 1 : 0, 04 : 0, 45 • НА ВЫСОТЕ ФАЗЫ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ 1 : 20 : 0, 45 В ПРОЦЕССЕ ФАЗЫ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ И ХЛОРА НЕ А ДЛЯ ИОНОВ НАТРИЯ УВЕЛИЧИВАЕТСЯ В 500 РАЗ. МЕНЯЕТСЯ,

ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ Когда «+» заряд на внутренней поверхности мембраны становится достаточен для уравновешивания концентрационного градиента натрия, усиленное поступление натрия в клетку прекращается. – Наступает ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ. Она начинается с увеличения проницаемости мембраны ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ.

УВЕЛИЧЕНИЕ проницаемости мембраны ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ Усиленный выход калия из клетки по градиенту Уменьшение «+» заряда на внутренней поверхности мембраны, обратное изменение МП УМЕНЬШЕНИЕ НАТРИЕВОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ Уменьшение притока натрия в клетку

ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ Обратная перезарядка мембраны УМЕНЬШЕНИЕ калиевой проницаемости, ЗАМЕДЛЕНИЕ оттока калия из клетки Таким образом, за фазу реполяризации происходят три последовательных изменения мембранной проницаемости: 1) увеличение для калия, 2) уменьшение для натрия, 3) уменьшение для калия.

К КОНЦУ ФАЗЫ РЕПОЛЯРИЗАЦИИ МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ВОЗВРАЩАЕТСЯ К УРОВНЮ ПОКОЯ. ОДНАКО УРОВЕНЬ ПОКОЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДЛЯ НАТРИЯ И КАЛИЯ МОЖЕТ ДОСТИГАТЬСЯ НЕОДНОВРЕМЕННО. ЕСЛИ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ ДЛЯ КАЛИЯ ЕЩЕ ПОВЫШЕНА, А ДЛЯ НАТРИЯ УЖЕ ВЕРНУЛАСЬ К УРОВНЮ ПОКОЯ – возникает фаза ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ.

РЕЗЮМЕ ПД формируется двумя ионными потоками через мембрану: • ПОТОК ИОНОВ НАТРИЯ ВНУТРЬ КЛЕТКИ ПРИВОДИТ К ПЕРЕЗАРЯДКЕ МЕМБРАНЫ, • ПОТОК ИОНОВ КАЛИЯ ИЗ КЛЕТКИ НАРУЖУ ОБУСЛОВЛИВАЕТ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ. ПОТОКИ ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО РАВНЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ, НО СДВИНУТЫ ВО ВРЕМЕНИ.

Уточнения • Диффузия ионов через клеточную мембрану в процессе генерации ПД осуществляется ПО КАНАЛАМ. КАНАЛЫ ВЫСОКО СЕЛЕКТИВНЫ. • При каждом акте генерации ПД клетка ПРИОБРЕТАЕТ определенное количество НАТРИЯ и ТЕРЯЕТ ТАКОЕ ЖЕ КОЛИЧЕСТВО КАЛИЯ. УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ ДЛЯ ДАННОГО ИОНА ОБЪЯСНЯЕТСЯ ОТКРЫТИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ ЭТОГО ИОНА. НО ВЫРАВНИВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭТИХ ИОНОВ МЕЖДУ КЛЕТКОЙ И СРЕДОЙ НЕ ПРОИСХОДИТ БЛАГОДАРЯ РАБОТЕ КАЛИЙ-НАТРИЕВОГО НАСОСА.

4. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БП 1. Метод ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ОТВЕДЕНИЯ 2. ФИКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ на мембране. 3. ПЕРФУЗИЯ нервных волокон. ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ОТВЕДЕНИЕ

ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ОТВЕДЕНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПП И РЕГИСТРАЦИИ ПД: ОДИН ЭЛЕКТРОД – В МЕЖКЛЕТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ, ДРУГОЙ – МИКРОЭЛЕКТРОД – В ЦИТОПЛАЗМЕ. МЕЖДУ НИМИ – ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР. ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПД В ЭКСПЕРИМЕНТЕ: СТИМУЛЯЦИЯ КЛЕТКИ НАДПОРОГОВЫМИ ТОКАМИ. – ЕЩЕ ОДНА ПАРА ЭЛЕКТРОДОВ, СВЯЗАННЫХ С ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ. НА МИКРОЭЛЕКТРОДЕ «+» !

ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ОТВЕДЕНИЕ МИКРОЭЛЕКТРОД – «ПИПЕТКА» , ЗАПОЛНЕННАЯ KCl, КОНЧИК ОТТЯНУТ ДО ДИАМЕТРА В ДОЛИ МИКРОНА. ПРИ ВВЕДЕНИИ В КЛЕТКУ МЕМБРАНА ПЛОТНО ОХВАТЫВАЕТ ЕГО, И ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ ПРАКТИЧЕСКИ НЕ ПРОИСХОДИТ. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПП НЕКОТОРЫХ КЛЕТОК: • Nitella 120 м. В • Гигантский аксон кальмара 60 м. В • КЛЕТКИ МИОКАРДА ЧЕЛОВЕКА 90 м. В

ФИКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА МЕМБРАНЕ В ОПРЕДЕННЫЙ МОМЕНТ РАЗВИТИЕ ПД ПРИОСТАНАВЛИВАЕТСЯ (с помощью специальной электронной схемы). При этом ФИКСИРУЮТСЯ И СВОЙСТВЕННЫЕ ДАННОЙ СТАДИИ ПД ИОННЫЕ ПОТОКИ ПОЯВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ. ПЕРФУЗИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН ЗАМЕНА АКСОПЛАЗМЫ ИСКУССТВЕННЫМИ РАСТВОРАМИ РАЗЛИЧНОГО ИОННОГО СОСТАВА. ПОЯВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНИТЬ РОЛЬ КАЖДОГО ИОНА.