МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ Диплом Нобелевской

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Диплом Нобелевской премии И. П. Павлова

Общие свойства возбудимых тканей ► План лекции: ► Предмет физиологии ► Основные разделы современной физиологии ► Методы физиологических исследований ► История развития физиологии

Предмет физиологии ► Физиология (Physis) – природа, (Logos)- учение – наука, изучающая закономерности функционирования живых организмов, их отдельных систем, органов, тканей и клеток. ► Бионика – конструкция и управление функциями живых организмов

Основные разделы физиологии ► Общая – изучает природу основных жизненных процессов, общих проявлений жизнедеятельности, общие закономерности реагирования организма. ► Частная – свойства отдельных тканей, органов, систем. ► Специальная прикладная – физиология спорта, труда, питания, подводная и космическая, экологическая. ► Патологическая физиология.

Методы физиологических исследований ► Экстирпации – удаления части, либо всего органа с последующим наблюдением и регистрацией последствий ► Трансплантации – перемещение органа в организме на новое место или в другой орган ► Фистульный - для рассмотрения деятельности органов, недоступных наблюдению

Инструментальные методы ► Электрокардиография ► Электромиография ► Электроэнцефалография ► Электрическая запись неэлектрических величин ► Телеметрия

Самойлов А. Ф. 1928 г ► Дорогой Эйнтховен, я пишу письмо не Вам, а вашему дорогому и уважаемому струнному гальванометру. Поэтому обращаюсь к нему: «Дорогой гальванометр, я только узнал о Вашем юбилее. 25 лет тому назад вы начертали первую электрокардиограмму. Поздравляю Вас. Не хочу скрыть от Вас, что Вы мне нравитесь, несмотря на то, что Вы иногда пошаливаете. Удивляюсь тому, как много Вы достигли в течение 25 лет. Если бы Вы могли сосчитать число метров и километров фотографической бумаги, употребляемой для записи Вашими струнами во всех частях света, то полученные цифры были бы огромны. Вы создали новую промышленность. Имеете также филологические заслуги: мы обязаны Вам рождением новых слов, подобных электрокардиограмме» . ► «Дорогой Эйнтховен, прошу Вас прочитать это письмо струнному гальванометру, ибо он умеет писать, но не может читать» . ► «Я точно выполнил Вашу просьбу и прочел письмо гальванометру. Несомненно, он выслушал и принял с удовольствием и радостью все, что Вы написали. Он не подозревал, что сделал так много для человечества. Но на том месте где Вы говорите, что он не умеет читать, он вдруг рассвирепел… так, что я и моя семья даже взволновались. Он кричал: «Что, я не умею читать? Это – ужасная ложь. Разве я не читаю все тайны сердца? »

История развития физиологии ► Древний мир VI век до н. э. Пифагор Самосский – фусис (гр. ) знания о живой природе (физиологи) ► Анаксимандр VII век до н. э. ► Эмпедокл V век до н. э. ► Гиппократ (460 -377 гг. до н. э. ) – учение о пнейме «Физиология – служанка медицины» ► Аристотель (384 -322 гг. до н. э. )

Эпоха возрождения ► Парацельс (1493 -1541) – ятрохимик ► Хелмонт (1579 -1644) – Fermentum ► Сильвиус (1614 -1672) ► Борелли (1608 -1679) Галилей (1564 -1642) ► Беллини (1643 -1704) ятрофизики ► Рене Декарт (1596 -1650) ► Глиссон (1597 -1677) ► Ламетри (1709 -1751) – «Человек - машина»

Начало Экспериментальной физиологии ► Гарвей (Харви) (1578 -1657) 1628 «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животного» ► Роберт Бойль (1627 -1692) «нечто» ► Роберт Гук (1635 -1703) дыхательная мускулатура ► Лоран Лавуазье (1743 -1794) кислород ► Галлер (1708 -1777) «Элементы физиологии человеческого тела» 8 -томов

Электрофизиология ► Луиджи Гальвани (1737 -1798) 1786 - животное электричество ► Карло Маттеуччи (1781 -1862) ► Дюбуа-Реймон (1818 -1896) ► В. Ю. Чаговец (1873 -1941) ► Юлиус Бернштейн (1839 -1917) ► Ходжкин, Хаксли (1963), Кац (1970) ► Э. Пфлюгер (1874 -1965)

Схема строения мембраны возбудимой ткани 1 — слой билипидов и каналы для ионов Na; 2 — канал для ионов Na в закрытом состоянии; 3 — «ворота» открыты; 4 — «ворота» инактивации закрыты; 5 — селективный фильтр.

Функции мембран 1 -барьерно-транспортная 2 -участие в генерации ПД 3 -межклеточное взаимодействие

Ионные каналы — это интегральные белки мембраны, которые выполняют функцию транспортирующей частицы для соответствующего иона. Свойства: селективность, электровозбудимость Селективность канала обеспечивается за счет геометрии канала (диаметр устьев, диаметр селективного фильтра), за счет внутриканально расположенных заряженных частиц (например, для катион-пропускающих каналов — анионные частицы).

Потенциал-зависимые ионные каналы. Рядом с таким каналом имеется электрический сенсор, который в зависимости от величины мембранного потенциала либо открывает ворота каналов, либо держит их закрытыми. Рецепторуправляемые каналы. Ворота таких каналов управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны: при взаимодействии медиатора (лиганда) с этим рецептором может происходить открытие ионных каналов.

Натриевые каналы Имеют устья, селективный фильтр, воротный механизм. Ворота у них двух типов — активационные (м-ворота) и инактивационные (h-ворота). В условиях покоя (МП=80 м. В, например), активационные ворота закрыты, но готовы в любую минуту открыться, а инактивационные ворота открыты. При снижении МП (например, до 60 м. В) активационные ворота открываются и впускают ионы натрия в клетку, но вскоре начинают закрываться инактивационные ворота (происходит инактивация натриевых каналов). Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные ворота, и канал готов к новому циклу. Канал блокируется тетродотоксином, местными анестетиками (новокаином, другими веществами). Это используется в медицинской практике.

Калиевые каналы Достаточно селективны — в основном пропускают ионы калия. Они блокируются тетраэтиламмонием. Процессы инактивации у них выражены слабо.

Кальциевые каналы Имеют все атрибуты ионного канала (устья, воротный механизм, фильтр). Блокируются ионами марганца, никеля, кадмия (двухвалентные ионы), а также лекарственными веществами — верапамилом, нифедипином, дильтиаземом, которые используются в клинической практике.

Активный транспорт Различают: первично-активный транспорт, при котором энергия затрачивается на перенос данного вещества против градиента его концентрации, вторично-активный транспорт, при котором энергия на перенос данного вещества (например, молекулы глюкозы) используется за счет механизма переноса другого вещества (например, натрия).

Первично-активный транспорт Калий-натриевый насос, натрий-водородный обменный механизм, натрий-кальциевый обменный механизм, кальциевый насос и т. д. Суть его состоит в том, что в мембране имеется переносчик, обладающий АТФ-азной активностью т. е. он способен расщеплять АТФ и высвобождать энергию, которая и затрачивается на перенос вещества.

Вторично-активный транспорт В основном представлен в энтероцитах, в эпителии почек. Суть его состоит в следующем (на примере переноса молекулы глюкозы). Молекула глюкозы должна войти в клетку, где ее концентрация намного выше, чем в среде. Для того, чтобы это произошло, необходимы затраты энергии. Но тратится энергия, которая ранее была затрачена на перенос натрия.

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ И ЕГО ПРОИСХОЖДЕНИЕ 1902 Ю. Бернштейн Мембранный потенциал, или потенциал покоя, — это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны в условиях покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей он достигает 50— 80 м. В, со знаком «—» внутри клетки. Обусловлен преимущественно ионами калия. В клетках возбудимых тканей концентрация ионов калия достигает 150 ммоль/л, в среде — 4— 5 ммоль. Поэтому по градиенту концентрации калий может выходить из клетки, и это происходит с участием калиевых каналов, часть которых открыта в условиях покоя. В результате из-за того, что мембрана непроницаема для анионов клетки (глутамат, аспартат, органические фосфаты), на внутренней поверхности клетки образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной — избыток положительно заряженных частиц. Возникает разность потенциалов.

Разность потенциалов описывается уравнением Нернста. Чем выше концентрация калия в среде - тем меньше это отношение, тем меньше величина мембранного потенциала.

Калий-натриевый насос. Для того чтобы мембранный потенциал поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионного гетерогенитета — ионной асимметрии. Для этого служит калий-натриевый насос (и хлорный), который восстанавливает ионную асимметрию, особенно после акта возбуждения. Доказательством калиевой природы мембранного потенциала является наличие зависимости: чем выше концентрация калия в среде, тем меньше величина мембранного потенциала.

Потенциал действия — это кратковременное изменение разности потенциала между наружней и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), возникающее в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия с помощью микроэлектродной техники наблюдается типичный пикообразный потенциал. В нем выделяют следующие фазы или компоненты:

Потенциал действия 1. Локальный ответ - начальный этап деполяризации. 2. Фазу деполяризации - быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны (реверсия, или овершут). 3. Фазу реполяризации - восстановление исходного уровня мембранного потенциала; в ней выделяют фазу быстрой реполяризации и фазу медленной реполяризации; в свою очередь, фаза медленной реполяризации представлена следовыми процессами (потенциалами): следовая негативность (следовая деполяризация) и следовая позитивность (следовая гиперполяризация).

ПРИРОДА ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ При исследовании ПД аксонов и сомы нервной клетки, ПД скелетной мышцы было установлено, что фаза деполяризации обусловлена значительным повышением проницаемости для ионов натрия, которые входят в клетку в начале процесса возбуждения и таким образом уменьшают существующую разность потенциала (деполяризация). Процесс этот имеет регенеративную природу — чем выше степень деполяризации, тем выше становится проницаемость натриевых каналов, тем больше входит ионов натрия в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованности мембраны — на высоте пика ПД внутренняя поверхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной (явление реверсии, или овершута). Однако бесконечно этот процесс идти не может: в результате закрытия ионных ворот натриевые каналы закрываются, и приток натрия в клетку прекращается. Затем наступает фаза реполяризации. Она связана с увеличением выхода из клетки ионов калия. Это происходит за счет того, что в результате деполяризации большая часть калиевых каналов, которые в условиях покоя были закрыты, открываются и «+» заряды уходят за пределы клетки.

Вначале этот процесс идет очень быстро, потом — медленно, поэтому фаза реполяризации вначале протекает быстро (нисходящая часть пика ПД), а потом медленно (следовая негативность). Этот же процесс лежит в основе фазы следовой гиперполяризации. На фоне следовых потенциалов происходит активация калий- натриевого насоса. Если он работает в электронейтральном режиме (2 иона натрия выносятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия), то на форме ПД этот процесс не отражается. Если же насос работает в электрогенном режиме, когда 3 иона натрия выносятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия, то в результате на каждый такт работы насоса в клетку вносится на 1 катион меньше, чем выносится, поэтому в клетке постепенно возрастает избыток анионов, т. е. в таком режиме насос способствует появлению дополнительной разности потенциалов. Это явление может лежать в основе фазы следовой гиперполяризации. Если насос заблокировать, например, с помощью специфического блокатора — строфантина G (уабаин), то постепенно клетка перестает отвечать на раздражители, т. к. ионный гетерогенитет как основа электрической активности резко снизится.