Тема Электрические явления в клетках План 1 Концентрационный

Тема: «Электрические явления в клетках» План: 1. Концентрационный элемент Нернста. 2. Мембранный потенциал покоя. Уравнение Гольдмана -Ходкина- Катца. 3. Потенциал действия и его распространение. 4. Момент электрического диполя сердца. Физические основы электрокардиографии. 5. Синaптическая передача. Электрическая и химическая синaптические передачи. 6. Передача информации в биологических каналах связи.

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана 1. Природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Мембранный потенциал. Живые ткани обладают активными электрическими свойствами, являясь источниками электроэнергии. Биоэлектрогенезис – это свойства живых организмов производить электричество. Биопотенциалами называются электрические потенциалы, создающиеся в клетках, тканях и органах в процессе жизнедеятельности. Биопотенциалы имеют ионно – мембранную природу. Живые ткани обладают свойствами электролитов, диссоциирующих на положительные и отрицательные ионы. Биопотенциалы возникают вследствие разницы концентраций положительных и отрицательных ионов по обе стороны мембраны.

Концентрационный элемент Нернста. Основной характеристикой живой клетки является наличие электрической разности потенциалов между внутренней и внешней сторонами клеточной мембраны, обусловленная неодинаковым распределением электрических зарядов между разделами. При стационарном состоянии, в этих разделах устанавливается чёткое соотношение между электрическим, электрохимическим потенциалами, давлением и другими параметрами, и такое состояние называется мембранным равновесием. В установлении мембранного равновесия влияют различные факторы, связанные с характеристиками мембраны, а также с особенностями дисперсных сред, которых мембрана разделяет.

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана Самой простой моделью мембранного потенциала биологической ткани служит концентрационный элемент Нернста (Рис. 1). Рис. 1. Концентрационный элемент Нернста

Рис. 1. Концентрационный элемент Нернста

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана Концентрационный элемент Нернста представляет собой сосуд разделенный мембраной на два отсека, каждый из которых заполнен раствором соли разной концентрации C 1 и C 2. Мембрана имеет неодинаковую проницаемость для катиона и аниона, на которых соль диссоциирует. В следствии мембрана поляризуется. На обеих поверхностях мембраны возникают электрические заряды. Со стороны раствора с меньшей концентрацией соли поверхность мембраны приобретает электрический заряд того иона для которого она имеет большую проницаемость.

Живые организмы содержат большое количество воды (60 -70% из общего объёма тела человека), которая является основным растворителем многофазных дисперсных систем: кристаллоиды в ионном состоянии (Na+, K+, Ca++, Mg++); микромолекулы и макромолекулы. Для каждого типа диффузионных ионов, равновесный электрический потенциал определяется как разность потенциалов между внутренней ( i) и внешней ( e) сторонами клеточной мембраны. Если в отсеки устройства Нернста поместить электроды, то с помощью гальванометра, включенного в замкнутую цепь, можно зарегистрировать электрический ток. Значения равновесного потенциала ( р) определяется уравнением Нернста:

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана (1) Здесь - потенциал равновесия, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура растворов, F - число Фарадея, z -заряд иона, Ci и Ce - концентрации ионов в растворах электролита, разделенных мембраной, Аналогичные явления происходят на поверхностях живых мембран, отделяющих цитоплазму клетки от внеклеточной жидкости.

Из уравнения Нернста видно, что одновалентные ионы вносят наиболее существенный вклад в возникновение мембранного равновесия. В таблице 1 представлены концентрации этих ионов с втутреннй и внешней стороны мембраны, а также и равновесные потенциалы, вычисленные согласно уравнению Нернста для гигантского аксона кальмара. Тип иона K+ Na+ Cl- Сi (мeq) 400 50 52 Се (мeq) 20 440 560 р (м. В) -75 +55 -61

2. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана. Основными типами ионов, участвующих в создании мембранного потенциала, являются одновалентные ионы K+, Na+ и Cl–. Результирующий мембранный потенциал, созданный с участием всех трех типов ионов определяется уравнением Гольдмана: (2) Где скобки [ ] обозначают концентрации; Р- проницаемость мембраны для каждого типа ионов. Потенциал покоя мембраны для различных клеток различный. Для невозбужденного нервного волокна гигантского аксона (Ø ~ 1 мм) кальмара φ = -70 м. В. В состоянии покоя мембрана поляризована: внутри ( – ), снаружи (+).

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана При вычислении по формуле (2) вместо самих коэффициентов проницаемости можно использовать отношение между ними, которое для аксона выражается следующими числами: PK; PNa; PCl = 1; 0, 04; 0, 45 Потенциал покоя может быть измерен при помощи микроэлектродов и миливольтметра (Рис. 2). Потенциал покоя обусловлен активному переносу через мембрану.

Рис. 2. Принципиальная схема установки для измерения потенциала покоя.

Стеклянный микро-электрод, представляет пипетку полученной путём вытягивания стеклянного капилляра при нагревании. Его диаметр 0, 5 мкм. Прокалывание мембраны этим микро-электродом не повреждает мембрану, а контакт короткого замыкания между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью исключается, так как мембрана стягивается вокруг кончика стеклянного микро-электрода (из за поверхностного натяжения). Таким образом при введении микро-электрода в клетки, а второго располагая во внеклеточной среде (при нулевом потенциале) миливольтметр покажет значение потенциала покоя мембраны (рис. 3).

Ионная природа электрических биопотенциалов. Соотношение Нернста. Потенциал покоя. Уравнение Гольдмана Рис. 3. Изменение показаний милливольтметра при введении микроэлектрода в клетку.

3. Потенциал действия. Все живые клетки при действии различных раздражителей переходят в возбужденное состояние. При возбуждении мембраны возникает потенциал действия. Возникновение потенциала действия объясняется тем, что при возбуждении клетки мембрана деполяризуется – внутри заряжается (+), а вне ( – ). Таким образом, возникает потенциал действия, который является положительным. Возникновение потенциала действия объясняется тем, что при возбуждении изменяется проницаемость мембраны для ионов Na+ почти в 700 раз. Потенциал действия возникает благодаря появлению в мембране каналов для ионов натрия.

Как видно из графика для потенциала действия характерны несколько фаз. Он начинается очень быстрым сдвигом потенциала в положительном направлении - фазой нарастания, которая продолжается всего лишь 0, 2 -0, 5 мс. Мембрана деполяризуется. Кривая деполяризации переходит за нулевую линию и мембранный потенциал становится положительным. Эта положительная фаза потенциала действия называется овершутом. Следующая фаза, в течение которой восстанавливается исходный потенциал покоя мембраны, называется реполяризации.

Потенциал действия распространяется вдоль нервного (или мышечного) волокна относительно на больших расстояниях без потери энергии, то есть без затухания амплитуды. Скорость распространения потенциала действия вдоль возбужденного нервного волокна зависит от диаметра волокна (аксона). Она имеет различные значения для различных нервных клеток (аксонов). Для беспозвоночных животных скорость распространения составляет 20 – 30 м/с. У позвоночных животных повышение скорости распространения возбуждения (потенциала действия) до 140 м/с достигается миелинизацией волокон. В таком случае волокно покрыто миелиновой оболочкой.

Рис. 6. Распространение потенциала действия

Рис. 4. Графическое представление потенциала действия

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Рис. 5. Скачкообразное распространение потенциала действия вдоль нервного волокна

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Распространение нервного импульса вдоль нервного волокна. Миелиновая оболочка образуется в процессе наматывания на аксон окружающих его, так называемых, шваннских клеток. Диффузия ионов через миелиновую оболочку практически невозможна, поэтому генерация потенциала действия сосредоточена только на том участке, где миелиновая оболочка отсутствует. Эти места у миелинового аксона называются перехватами Ранвье или активными узлами. От перехвата к перехвату нервные импульсы проводятся за счет движения локальных токов. Расстояние между соседними перехватами 1 мм. При миелиновой мембране скорость распространения нервного импульса увеличивается.

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Физические основы электрокардиографии Живые ткани являются источником электрических потенциалов. Некоторые органы периодически возбуждаются и генерируют электрические биопотенциалы. В медицинской практике используют следующие диагностические методы : ЭКГ – электрокардиография ― регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении. ЭРГ ― электроретинография ― регистрация биопотенциалов сетчатки глаза, возникающих в результате действия света на глаз. ЭЭГ ― электроэнцефалография ― регистрация биоэлектрической активности головного мозга. ЭМГ ― электромиография ― регистрация биоэлектрической активности мышц.

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Рассмотрим биопотенциалы сердца. Биопотенциалы сердца изучаются при помощи теории Эйнтховена. Согласно теории Эйнтховена, сердце представляет электрический диполь, который изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла (рис. 5). Дипольный момент сердца носит название интегральный электрический вектор сердца. Согласно теории Эйнтховена, сердце располагается в центре равностороннего треугольника, вершинами которого являются: правая рука – левая нога. Пары точек, между которыми измеряются разности потенциалов, принято называть отведениями. На рис. 5 представлены три стандартных отведения: I отведение - правая рука – левая рука. I I отведение – правая рука – левая нога. I I I отведение – левая рука – левая нога.

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Рис. 6. Схематическое изображение трех стандартных отведений ЭКГ. Им соответствуют разности потенциалов UI , U I I, UI I I. Направление вектора Рс определяет электрическую ось сердца. Линия электрической оси сердца при пересечении с направлением 1 -го отведения образует угол . Величина этого угла определяет направление электрической оси сердца

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Соотношения между разностью потенциалов на сторонах треугольника (отведениях) могут быть получены в соответствие с формулой (4), как соотношения проекций электрического вектора сердца Рс на стороны треугольника. UI : U I I I. = РСI : РС I I I (4)

Потенциал действия. Распространение потенциала действия (нервного импульса) вдоль возбужденного нервного волокна. Рис. 8. Электрокардиограмма Рис. 7.

Синаптическая передача Функциональный межклеточный контакт, обеспечивающий переход возбуждения от одного нейрона к другому (от одной клетки к другой), получил название синапса. Синапс состоит из трех основных частей (рис. ): 1)пресинаптической структуры; 2)синаптической щели; 3) постсинаптической мембраны. Первая из них является местом возбуждения медиатора, который непрерывно медленно диффундирует в синаптическую щель и через нее поступает к постсинаптической мембране.

Синаптическая передача Рис. 9. Нейрон

Рис. 10. Межнейрональный синапс:

Синаптическая передача Существует два типа синаптической передачи : 1. электрическая синаптическая передача; . 2. химическая синаптическая передача. Электрическая синаптическая передача возможна только при очень тесном соприкосновении взаимодействующих клеток - при расстоянии между ними не более 10 -20 нм (чаще при 2 -4 нм). Только тогда синапса допускает переход возбуждения с одной клетки на другую посредством локальных токов, под действием которых и происходит ретрансляция потенциала действия на вторичную мембрану. Этому способствует наличие щелевых контактов между пре- и постсинаптическими мембранами электрического синапса.

Синаптическая передача Во многих синапсах промежуток между контактирующими клетками (синаптическая щель) превышает 20 нм. Там возбуждение передается только при помощи химических посредников (медиаторов). В пресинаптической структуре происходит высвобождение медиатора, который непрерывно медленно диффундирует в синаптическую щель и через нее поступает к постсинаптической мембране. Темпы выброса медиатора из пресинаптической структуры резко возрастает, когда сюда поступают нервные импульсы, деполяризующие пресинаптическую мембрану. Деполяризация мембраны открывает кальциевые каналы, что приводит к поступлению ионов кальция Сa++ внутрь пресинаптической структуры из межклеточного пространства.