Лекция № 2. Характеристика возбудимых тканей. Физиология клетки • Открытие животного электричества. • Происхождение потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД). • Действие постоянного тока на возбудимые ткани. • Парабиоз.
Опыты Л. Гальвани • Луиджи Гальвани (9 сентября 1737 – 4 декабря 1798) – итальянский анатом и физиолог, один из основателей учения об электричестве, основоположник электрофизиологии. • Окончил Болонский университет, где преподавал анатомию, гинекологию и акушерство. Первые работы посвящены сравнительной анатомии. С 1771 г. занимался исследованием электрических явлений в живых тканях. • В 1791 г. опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном движении» .
Опыты Л. Гальвани • Фундаментальное значение для развития электрофизиологии имели два опыта, проведенные Л. Гальвани. • 1 опыт. Препарат задних конечностей лягушки подвешивался на цинковой стойке с помощью медного крючка. Когда конечность лягушки касалась цинковой стойки, ее мышцы сокращались. Гальвани предположил, что эти сокращения вызваны возникновением в мышцах электрического тока. Однако это предположение было ошибочным. • Алессандро Вольта в 1792 -1794 гг. доказал, что сокращение мышц в этом случае вызывается электрическим током, возникающим в месте соприкосновения двух металлов (цинка стойки и меди крючка).
Опыты Л. Гальвани • 2 опыт. Гальвани наблюдал сокращение мышцы, если к ней прикладывались одновременно неповрежденный продольный участок нерва и поперечный его срез. • Источником электродвижущей силы в этом случае являлась разность потенциалов между неповрежденным и поврежденным (срезом) участками нерва. • Этим опытом Гальвани доказал существование так называемого «животного электричества» .
Явление животного электричества • В конце 1780 г. итальянский профессор анатомии и медицины Луиджи Гальвани в лаборатории анатомии Булонского университета препарировал лягушку с целью демонстрации и наблюдения обнаженных нервов конечностей. На столе находилась электростатическая машина, с помощью которой создавалась и изучалась искра. • В работе Л. Гальвани «О силах электрических при мышечных движениях» он пишет: «…Один из моих помощников острием случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов лягушки. Лапка лягушки резко дернулась» . И далее: « … Это удается тогда, когда из конденсатора машины извлекается искра» .
Явление животного электричества • При проведении опыта по изучению атмосферного электричества Гальвани : «. . Утомленный… тщетным ожиданием … , начал … прижимать медные крючки, воткнутые в спинной мозг, к железной решетке – лапки лягушки сократились» . Результаты эксперимента подтвердили, что сокращение мышцы лягушки, подобное сокращению, вызванному искрой электростатической машины, возникает при касании тела лягушки одновременно двумя различными металлическими предметами. • Гальвани сделал вывод: существует иной источник электричества, им является «животное» электричество (термин равнозначен «электрическая активность живой ткани» .
Явление животного электричества • Алессандро Вольта повторил опыты Гальвани. В первых статьях «О животном электричестве» и в письме к доктору Боронио от 3 апреля 1792 г. выдвигает на первый план химикофизические явления. • Вольта установил важность использования разнородных металлов, между которыми проложена смоченная кислотой ткань.
Явление животного электричества • Вольта пишет: «В опытах Гальвани источником электричества является лягушка. Однако, что собой представляет лягушка или вообще любое животное? Прежде всего, это нервы и мышцы, а в них различные химические соединения. Если нервы и мышцы препарированной лягушки соединить с двумя разнородными металлами, то при замыкании такой цепи проявляется электрическое действие. В моем последнем опыте тоже участвовали два разнородных металла – это станиоль (свинец) и серебро, а роль жидкости играла слюна языка. Замыкая цепь соединительной пластинкой, я создавал условия для непрерывного передвижения электрической жидкости с одного места на другое. Но я ведь мог опустить эти же металлические предметы просто в воду или в жидкость, подобную слюне? Причем здесь «животное» электричество? »
Схема строения животной клетки
МЕМБРАНА КЛЕТКИ: Представляет собой асимметричный бислой фосфолипидов Слои мембраны состоят из различных веществ phosphatidylcholine sphingomyelin cholesterol phosphatidylserine glycolipid extracellular space phosphatidylethanolamine phosphatidylinositol cytosol
Протеины мембраны В животных клетках 50 % массы мембраны приходится на встроенные белки. Все белки клеточной мембраны делятся на 4 класса: Транспортеры Связующие белки Рецепторы Ферменты
Протеины, фиксированные в клеточной мембране Интерстиций Цитоплазма
Ресинтез мембраны Синтез фрагментов мембраны осуществляется в эндоплазматическом ретикулуме. Новые фрагменты мембраны транспортируются в виде везикул membrane-bound plasma organelle vesicle membrane Adapted from ECB Fig 11 -19 cytosol extracellular fluid Везикула встраивается в мембрану, при этом цитозольная поверхность обращена в цитозоль, а внутренняя поверхность мембраны везикулы обращена во внешнюю среду.
Функции мембраны • Мембраны формируют различные клеточные компартменты посредством избирательной проницаемости. • Обеспечивают взаимодействие: клетка-клетка. • Благодаря мембране клетки могут индивидуально регулировать p. H, молекулярные концентрации и специфические функции.
Функции протеинов мембраны
Избирательные свойства клеточной мембраны Полезные молекулы Внутриклеточные системы Полезные молекулы Метаболиты Ненужные молекулы, микроорганизмы
Проницаемость липидного бислоя • Газы пересекают мембрану быстро • Липофильные молекулы проникают через мембрану с высокой скоростью O 2 small hydrophobic CO 2 molecules N 2 small uncharged polar molecules H 2 O glycerol ethanol larger amino acids uncharged glucose polar nucleotides molecules • Заряженные молекулы (ионы) практически не способны проникать через мембрану ions H+, Na+, HCO 3 -, K+ Ca 2+, Cl. Mg 2+
Благодаря избирательной проницаемости мембраны, состав цитоплазмы сильно отличается от внеклеточной жидкости Примеры: 1) концентрация белка в цитоплазме достигает 200 г/л, в интерстициальной жидкости - 2 - 10 г/л. 2) сильно отличается концентрация ионов: в цитоплазме концентрация ионизированного кальция в 10000 раз меньше по сравнению с интерстициальной жидкостью.
Распределение воды в организме человека массой 70 кг • общее количество воды – 42 л • внутриклеточная вода - 28 л • внеклеточная вода - 14 л: – внутрисосудистая: 3 л в крови и 1, 5 л в лимфе – интерстициальная жидкость: около 10 л
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ОРГАНИЗМЕ • Основная масса жидкости содержится в цитоплазме клеток. Она может обмениваться только с интерстициальной жидкостью. • Интерстициальная жидкость имеет возможность обмениваться с плазмой крови и лимфой. • Плазма крови может обмениваться жидкостью с внешней средой (+ЖКТ, - легкие, - кожа, - почки)
Ионный состав внеклеточной и внутриклеточной жидкости
Цитоплазматическая и внеклеточная концентрация ионов Ion Intracellular Extracellular Na+ K+ Mg 2+ Ca 2+ 5 -15 m. M 140 m. M 0. 5 m. M 10 -7. 2 M (p. H 7. 2) 145 m. M 1 -2 m. M 10 -7. 4 M (p. H 7. 4) Cl. Fixed anions 5 -15 m. M high 110 m. M
Пассивный и активный транспорт Transported molecule carrier protein concentration gradient lipid bilayer channel- carriersimple diffusion mediated passive transport active transport
Транспорт: • пассивный - движение частиц через мембрану в направлении концентрационного градиента, для заряженных частиц (в частности, ионов) – еще и электрического градиента. Не требует затрат энергии. • активный – идет против концентрационного (и электрического) градиента и поэтому требует затрат энергии.
МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ Молекулярный транспорт 1) диффузия 2) осмос 3) облегченная диффузия 4) активный транспорт с использованием переносчиков 5) Транспорт большими порциями: экзоцитоз эндоцитоз
Диффузия
Факторы, действующие на скорость диффузии 1. 2. 3. 4. Градиент концентрации Температура Давление Перемешивание
Осмос • Диффузия воды (растворителя). • Молекулы воды (растворителя) перемещаются из области их высокой концентрации в область низкой концентрации. • Энергия не затрачивается.
Осмос • Свободные молекулы воды будут двигаться из гипотонического раствора, где они избыточны, к гипертоническому раствору, где они более редки. • Подобное движение молекул воды через полупроницаемую мембрану - специальный случай пассивного транспорта- осмос. • Перемещение молекул воды происходит до выравнивания концентраций растворенных веществ. Мембрана, проницаемая для воды
• Животная клетка в гипотонической среде будет набухать с последующим разрывом мембраны. • В гипертоническом растворе клетка будет уменьшаться в объеме и сморщиваться.
• В мембране клетки имеются специализированные белки, формирующие поры – каналы. • Каналы, которые способны с высокой скоростью пропускать молекулы воды, называются аквапоринами. • Выявлено 10 разновидностей аквапоринов.
Облегченная диффузия • Транспортные белки способствуют перемещению молекул через клеточную мембрану. • Энергия АТФ не затрачивается. • Перемещение осуществляется только по градиенту концентрации.
Схема диффузии и облегченной диффузии
Вторично активный транспорт Для переноса некоторых веществ в клетку и из клетки используется энергия градиента ионов натрия – вторично активный транспорт transported molecule co-transported ion Uniport Symport Antiport Coupled transporters Adapted from ECB Fig 12 -12
Транспорт глюкозы в энтероцитах apical membrane Adapted from ECB Fig 12 -14 Na-glucose symporter lateral membrane gut lumen low tight junction high passive glucose uniporter basal membrane extracellular fluid low
Типы активного транспорта 1. Осуществляемый переносчиками. 2. Эндоцитоз. 3. Экзоцитоз.
Цикл работы Na+/K+ АТФазы protein undergoes conformational change, Na released outside phosphorylation of ATP out in Na binds to cytosolic binding site K binds to extracellular binding site protein returns to original conformation, K released inside 1 cycle 10 milliseconds dephosphorylation
Транспорт большими порциями
Figure 14 -19 ECB - Vesicle budding Clathrin coat Coated vesicle adaptin Sorting receptor dynamin Cargo
Ионные каналы • Канальные белки формируют трансмембранные поры, через которые могут пассивно проходить маленькие водорастворимые молекулы, как в клетку, так и из клетки 1 • Большинство канальных белков плазматической 2 3 мембраны формируют поры, проницаемые 4 только для 5 неорганических ионов – ионные каналы 6 • Ионные каналы высокоселективны для специфических 7 +, K+, Ca 2+, Cl-) ионов ( Na 8 9 1 • Ионную специфичность канала определяют: 0 диаметр – через 1 узкую пору не могут пройти большие ионы 1 форма – только 1 одиночные ионы могут беспрепятственно 2 проходить через 1 канал 3 заряд – отдельные участки канала имеют разный заряд
Быстрые натриевые каналы • • обладают воротами: наружными – активационными; внутренними – инактивационными. Потенциалзависимость : активационные ворота при потенциале покоя закрыты, инактивационные – открыты; в ответ на деполяризацию активационные ворота открываются, инактивационные – закрываются; • времязависимость : активационные ворота в ответ на деполяризацию открываются очень быстро (за десятые доли миллисекунды), инактивационные закрываются также достаточно быстро, но все же медленнее.
Быстрые натриевые каналы • В состоянии покоя быстрые натриевые каналы закрыты (так как закрыты активационные ворота); • В ответ на деполяризацию быстрые натриевые каналы сначала быстро открываются (инактивационные ворота еще не закрылись, активационные уже открылись); это так называемая натриевая активация; • Затем с некоторой задержкой эти каналы закрываются (так как в ответ на деполяризацию закрываются инактивационные ворота); это так называемая натриевая инактивация.
Потенциалчувствительные калиевые каналы • Обладают наружными (активационными) воротами. • Потенциалзависимость: ворота при потенциале покоя закрыты, а в ответ на деполяризацию открываются; • Времязависимость: ворота в ответ на деполяризацию открываются сравнительно медленно (за миллисекунды).
Потенциалчувствительные калиевые каналы • В состоянии покоя потенциалчувствительные калиевые каналы закрыты; • При деполяризации потенциалчувствительные калиевые каналы сравнительно медленно открываются (калиевая активация); • При продолжающейся деполяризации эти каналы остаются открытыми и закрываются лишь тогда, когда мембранный потенциал возвращается к уровню покоя.
Неуправляемые ионные каналы Неуправляемые (не имеющие ворот) ионные каналы открыты при нормальном МП и создают возможность диффузии ионов через мембрану. Эта диффузия не приводит к выравниванию концентраций ионов, т. к. постоянно работает Na+/K+ насос и создает концентрационные градиенты. При нормальном уровне МП: Калиевые каналы 1. открыты в большом количестве 2. создают на внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд Натриевые каналы 1. В основном закрыты 2. Ионы натрия перемещаются медленно
Виды ионных каналов Два принципиальных свойства ионных каналов: (1) Ионная селективность – через канал может проходить только один вид ионов (2) Состояния: закрыты, открыты, инактивированы потенциалмеханохемочувствительные внеклеточные внутриклеточные +++ out --- in закрыты открыты + + out - - in Мембранный потенциал Молекула связывается с каналом Растяжение
Электрические свойства плазматической мембраны За счет чего создается мембранный потенциал? positive + + -- - negative Какие факторы вносят вклад в формирование МП? 1. Протеины и нуклеиновые кислоты 2. Натрий-калиевый насос 3. Стационарно-открытые калиевые каналы 4. Потенциалчувствительные ионные каналы +
МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ • Отрицательный заряд внутриклеточных органических анионов сбалансирован K+ • Высокая внутриклеточная концентрация K+ поддер -живается Na+-K+ АТФ-азой • Высокий градиент концентрации K+o 30 • В плазматической мембране имеются постоянно открытые K+-каналы K+ свободно выходит из клетки • Поскольку K+ выходит из клетки, отрицательный заряд внутри клетки растет и удерживает выходящий K+ • В покое существует равновесие между концентрацион-ным и электрохимическим градиентами K+
Генерация потенциала действия Как генерируется потенциал действия? ПД формируется, когда мембрана частично деполяризуется до критического уровня. Критический уровень деполяризации для мембраны нейрона - 55 м. В. Потенциал действия подчиняется закону «ВСЕ ИЛИ НИЧЕГО» Fig. 48. 8 c Campbell and Reece, 6 th Ed.
• Шаг 1: Стабильное состояние Copyright © 2002 Pearson Education, Inc. , publishing as Benjamin Cummings Fig. 48. 9 Campbell and Reece, 6 th Ed.
• Шаг 2: Критический уровень деполяризации Copyright © 2002 Pearson Education, Inc. , publishing as Benjamin Cummings Fig. 48. 9 Campbell and Reece, 6 th Ed.
• Шаг 3: Фаза деполяризации ПД Copyright © 2002 Pearson Education, Inc. , publishing as Benjamin Cummings Fig. 48. 9 Campbell and Reece, 6 th Ed.
• Шаг 4: Фаза реполяризации ПД Copyright © 2002 Pearson Education, Inc. , publishing as Benjamin Cummings Fig. 48. 9 Campbell and Reece, 6 th Ed.
• Шаг 5: Фаза следовой гиперполяризации Copyright © 2002 Pearson Education, Inc. , publishing as Benjamin Cummings Fig. 48. 9 Campbell and Reece, 6 th Ed.
Фаза деполяризации ПД • обусловлена входом в клетку Na+. • Деполяризация вызывает открывание натриевых каналов, с другой стороны – вход Nа+ по этим каналам вызывает деполяризацию. • Т. о. , вход Nа+ в фазу деполяризации ПД носит самоусиливающийся характер: деполяризация приводит к открыванию натриевых каналов; в результате входит Nа+ ; вход Nа+ приводит к еще большей деполяризации; нарастающая деполяризация вызывает открывание новых натриевых каналов и т. д.
Фаза реполяризации • Для Nа+ : • Движущая сила (электрохимический градиент) резко падает, так клетка становится заряженной положительно изнутри, и электрический градиент для Nа+ становится направленным наружу (противоположно концентрационному); • проницаемость также падает, так как закрываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов; • как следствие, входящий ток Nа+ резко снижается.
Фаза реполяризации • Для К+: • движущая сила (электрохимический градиент) резко возрастает, так клетка становится заряженной положительно изнутри, и электрический градиент для К+ становится направленным наружу (как и концентрационный); • проницаемость, будучи большой уже в покое, дополнительно возрастает, так как открываются потенциалчувствительные калиевые каналы; • Как следствие, выходящий ток К+ резко повышается. • Т. о. , фаза реполяризации ПД обусловлена выходом К+ на фоне прекращающегося входа Nа+.
Рефрактерный период На протяжении фазы следовой гиперполяризации активационные и инактивационные ворота Na+ каналов закрыты. В это время мембрана в ответ на раздражение не может деполяризоваться: рефрактерный период. Fig. 48. 9 mod. Campbell and Reece, 6 th Ed.
Изменение возбудимости во время ПД • Во время локального ответа возбудимость повышена, так как мембранный потенциал приближается к Е кр. • Во время фазы деполяризации, пика ПД и первой трети фазы реполяризации возбудимость=0 (никакие раздражители не могут вызвать повторный ПД). Это период абсолютной рефрактерности. • Причина: закрываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов, и в этих условиях никакие раздражители не способны вызвать открытие этих каналов.
Изменение возбудимости во время ПД • Начиная от второй трети фазы реполяризации возбудимость постепенно восстанавливается, хотя и остается сниженной по сравнению с исходной (ПД может быть вызван, но только сильными раздражителями). Это период относительной невозбудимости, или относительной рефрактерности. • Причина: постепенно вновь открываются инактивационные ворота быстрых натриевых каналов. Если следовых потенциалов нет, то возбудимость восстанавливается почти одновременно с окончанием фазы реполяризации.
Изменение возбудимости во время ПД • Во время следовой гиперполяризации возбудимость понижена, поэтому период относительной рефрактерности длится до окончания следовой гиперполяризации. Причина: • 1) мембранный потенциал смещен в сторону более отрицательных значений; 2) калиевая проницаемость повышена, и поэтому Е кр. смещен в сторону более положительных значений. • Это приводит к росту порога деполяризации и, следовательно, снижению возбудимости.
Изменения возбудимости при длительных сдвигах мембранного потенциала • При длительной деполяризации: • в первый момент возбудимость повышается, так как мембранный потенциал приближается к Е кр. ; • далее возбудимость снижается, так как Е кр. отдаляется от мембранного потенциала, так как длительная деполяризация приводит к натриевой инактивации и калиевой активации, а оба эти изменения приводят к снижению возбудимости.
Изменения возбудимости при длительных сдвигах мембранного потенциала • При длительной гиперполяризации: • в первый момент возбудимость снижается, так как мембранный потенциал отдаляется от Е кр. ; • в дальнейшем возбудимость повышается, так как Е кр. Приближается к мембранному потенциалу. • Это объясняется процессами, обратными развивающимся при длительной деполяризации.
Аккомодация • снижение возбудимости при уменьшении крутизны (скорости нарастания) раздражителя. Чем плавнее увеличивается ток, тем выше смещается Е кр. , то есть снижается возбудимость. • Существует минимальная скорость нарастания раздражителя, при которой может возникнуть ПД; при дальнейшем снижении этой скорости никакие раздражители не вызовут возбуждение. • Причина: при медленно нарастающей деполяризации успевают развиться натриевая инактивация и калиевая активация.
Биопотенциалы – носители информации • Гуморальная сигнализация: • генерализованная (на выделяемые в кровь вещества реагируют все клетки, имеющие рецепторы к этим веществам); • медленная (химические вещества подносятся к клеткам за достаточно большое время и действуют на клетки также достаточно долго); • неточно дозируемая (невозможно с высокой точностью создать определенную концентрацию вещества около клеткимишени).
Биопотенциалы – носители информации • Биопотенциалы: • локализованные (электрический сигнал может быть направлен только к одной клетке); • быстрые (электрические сигналы быстро распространяются и могут быть очень короткими); • точно дозируемые (величина сигнала может регулироваться с точностью до тысячных долей вольта и даже выше).
Биопотенциалы – носители информации • С помощью биопотенциалов осуществляется: • передача информации; • местная обработка информации.
Парабиоз • Парабиоз – обратимое фазовое изменение возбудимости и проводимости ткани под действием раздражителей; универсальная реакция живых тканей на раздражение; форма приспособительной реакции живых образований на разнообразные воздействия. • Учение о П. разработал Н. Е. Введенский, основа учения изложена в классическом труде «Возбуждение, торможение и наркоз» (1901). • При изучении П. опыты проводились на нервно-мышечном препарате, который помещался во влажную камеру, а на его нерв накладывались три пары электродов для нанесения раздражений и отведений биотоков; в опытах регистрировались сокращение мышцы и потенциал нерва между интактными и альтерированными участками. Если участок между раздражающими электродами и мышцей подвергнуть действию наркотических веществ и продолжать раздражать нерв, то ответ на раздражение через некоторое время внезапно исчезает.
Парабиоз • Н. Е. Введенский, исследуя в подобных условиях действие наркотиков и прослушивая с помощью телефона биотоки нерва ниже наркотизированного участка, заметил, что ритм раздражения начинает трансформироваться за некоторое время до того, как полностью исчезнет ответ мышцы на раздражение. • Н. Е. Введенский показал, что в реакции нерва на воздействие наркотических веществ можно выделить три последовательно сменяющиеся фазы: • уравнительную, • парадоксальную, • тормозную, • которые характеризуются разной степенью возбудимости и проводимости при нанесении на нерв слабых (редких), умеренных и сильных (частых) раздражений.
Парабиоз: уравнительная фаза • В уравнительную фазу происходит уравнивание величины ответной реакции на раздражение разной силы и наступает момент, когда на разные по силе раздражения регистрируются равные по величине ответные реакции. • Это происходит потому, что в уравнительной фазе понижение возбудимости выражено в большей степени для сильных и умеренных раздражений, чем для раздражений слабой силы. • Более быстрое снижение возбудимости и проводимости для большей силы (частоты) предопределяет развитие следующей парадоксальной фазы.
Парабиоз: парадоксальная фаза • В парадоксальную фазу реакция тем больше, чем меньше сила раздражения; наступает момент, когда на слабые и умеренные раздражения ответная реакция регистрируется, а на сильные нет. • Парадоксальная фаза сменяется тормозной фазой. • Во время тормозной фазы все раздражители становятся неэффективными и не способны вызвать ответной реакции.
Парабиоз: тормозная фаза • Если наркотическое вещество продолжает действовать после развития тормозной фазы, то в нерве могут произойти необратимые изменения, и он погибает. Если же действие наркотика прекратить, то нерв медленно восстанавливает свою исходную возбудимость и проводимость; • процесс восстановления проходит через развитие парадоксальной фазы. • Во время тормозной фазы нерв утрачивает свои физиологические свойства и сходен с умершим нервом; за тормозной фазой может последовать истинная смерть. • Учение о П. носит универсальный характер, так как закономерности реагирования, выявленные при исследовании нервно-мышечного препарата, присущи целому организму.
Скачать презентацию Лекция 2 Характеристика возбудимых тканей Физиология клетки
Лекция 2. Характеристика возбудимых тканей.ppt