Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Проведение возбуждение по нервным волокнам В основе развития процесса проведения возбуждения по нервным волокнам наряду с ПД участвуют пассивные электрические свойства мембраны нервных волокон, которые определяются на эквивалентной схеме нервного волокна, погруженного в проводящую среду (Рис. 14): Сопротивление мембраны (r m ) рассчитывается через удельное сопротивление (R m ): r R r m m 2 , где: R m =1-100 кОм·см 2 , в перехватах Ранвье: 30-40 Ом·см 2 Сопротивление аксоплазмы (r i ) рассчитывается через удельное сопротивление (r i ): 2 r R r i i , где: R i =40 Ом·см. Емкость мембраны (c m ) рассчитывается через удельную емкость мембраны (С m ): 2 r C c m m , где: С m =1 мкФ/см 2, в перехватах Ранвье:3-4 мкф/см 2 , r – радиус нервного волокна, R,C – удельные и r,c – относительные значения сопротивления и емкости мембраны (m) и аксоплазмы (i) в расчете на единицу длины или площади мембраны. Возвращаясь к выше представленному выражению для расчета мембранного тока: i m I dt dV C I следует определить согласно эквивалентной электрической схеме, что мембранный ток аксиального направления будет равен согласно закону Кирхгофа: 114 dx dI I m , В свою очередь согласно закону Ома ток, текущий через аксоплазму равен: i i dx dV i r , а итоговый: 2 2 1 dx V d r I i m . В окончательном виде: i m i I dt dV C dx V d r 2 2 1 ; m m i r V dt dV C dx V d r 2 2 1 ; V dt dV r C dx V d r r m m i m 2 2 . С учетом того, что 2 i m r r и m m r C , окончательное выражение принимает вид: V dt dV dx V d 2 2 2 . Решение этого уравнения требует ряд упрощений: 1. При аксиальном введении регистрирующего электрода мембранный ток становится равным нулю и тогда: V dt dV , решением этого уравнения является экспоненциальная зависимость: t t e V V 1 0 , где τ – постоянная времени, показывающая через сколько времени амплитуда мембранного потенциала падает в e раз. 2. При коротком стимуле емкостная составляющая будет равна нулю и тогда: 115 2 2 2 d V V dx , где решение: x x e V V 0 и – постоянная длины, показывающая через какое расстояние амплитуда мембранного потенциала падает в e раз. С учетом сопротивлений мембраны и аксоплазмы (R m и R i ): 1 2 m i R D R , где: D – диаметр нервного волокна (D = 2r). Таким образом, определяющая скорость проведения возбуждения постоянная длины (λ) прямо пропорциональна параметрам нервного волокна. В итоге, скорость проведения возбуждения: D для безмиелинового и D для миелиновых волокон. Из уравнения: x x e V V 0 x x e R I 0 ,где: I 0 – начальный ионный ток, R X – входное сопротивление, важное значение для дальнейшей судьбы распространяющегося ПД имеет последняя компонента. i m x r r R 2 1 и с учетом удельных значений: D R R R i m x 1 , где: D – диаметр нервного волокна. Таким образом, входное сопротивление нервного волокна, от которого зависит скорость распространения нервного импульса, также связана с диаметром этого волокна. Это означает, что с уменьшением диаметра нервного волокна входное сопротивление мембраны значительно возрастает, а при уменьшении – падает. Это явление определяет зависимость скорости проведения возбуждения от геометрических и функциональных неоднородностей нервных волокон. Резкое падение входного сопротивления мембраны будет подобно феномену ―перегрузка генератора‖ в электрической цепи и замедлять проведение возбуждения вплоть до выпадения отдельных нервных импульсов и наоборот – ―облегчать‖ проведение возбуждения при 116 росте входного сопротивления в случае уменьшения диаметра нервного волокна. Распространение потенциала действия вдоль мембраны нервного волокна будет неодинаково, и из-за этого возникают локальные токи, посредством чего и происходит распространение возбуждения. В каждой точке генерируется новый ПД, однако, проводится не он, а возбуждение в виде локальных токов – пусковых механизмов для новых ПД. Представим, что в точке V J мембранный ток (I m ) складывается из притекающего и оттекающего токов: x r V V I i j j m 1 x r V V i j j 1 1 1 2 2 2 j j j i V V V D R x , где: D – диаметр аксона, R i – сопротивление аксоплазмы. Как видно из выражения роль локального тока играет мембранный ток и его характеристики относительно ионных проницаемостей и ПД можно увидеть на Рис. 1. В начале доминирует ток из V J-1 в V J , так как первый участок заряжен относительно второго положительно. Этот процесс приводит к деполяризации в точке V J. 2. В следующей фазе преобладает ток V J в V J+1, по выше описанной схеме, так как уже этот участок (V J ) становится положительно заряженным относительно второго. 3. Наконец от возбужденного участка V J+1 ток течет назад к V J , вызывая дополнительную деполяризацию мембраны. На пике первой фазы открываются натриевые каналы, и они забивают мембранный ток, в результате чего он не может внести заметных изменений в I m , и его падение в отрицательную фазу I Na замедлено. В результате условием развития ПД будет равенство входящего (I Na ) и выходящего суммарных токов: K i Na I I I К моменту развития ПД суммарный ионный ток приобретает входящее направление и из уравнения: i m I dt dV C I , где в момент развития ПД емкостная составляющая равна нулю и: i m I I . Эта величина ионного тока получила название ξ-потенциал. 117 К моменту развития ПД суммарный ионный ток приобретает входящее направление, совпадающее по максимуму с точкой максимальной скорости нарастания ПД. Этот процесс обеспечивает развитие ПД, хотя в точке максимума ПД ионный ток равен нулю. В фазу реполяризации мембраны вновь появляется ионный ток противоположного направления, соответствующий максимальной амплитуде точке максимального снижения ПД. Задачи по разделам VII - VIII 1. Вязкость липидного бислоя в 100 раз больше, чем вязкость воды. Толщина примембранных слоев воды приблизительно в 100 раз больше толщины липидного бислоя. Коэффициент распределения кислорода в системе липид – вода близок к единице. Что является основным барьером для молекулярного кислорода при его диффузии через мембрану: липидный бислой или примембранный слой воды? Приведите необходимые уравнения. 2. Определите равновесный мембранный потенциал, создаваемый на бислойной липидной мембране ионами калия при температуре 20 0 С, если концентрация калия с одной стороны мембраны равна 10 -3 М, а с другой – 10 -5 М. 3. Рассчитайте потенциал покоя гигантского аксона кальмара, если известно, что концентрация ионов натрия снаружи равна 440 мМ, а внутри его 49 мМ (Температура равна 20 0 С). 4. Потенциал покоя нерва конечности краба равен 89 мВ. Чему равна концентрация ионов калия внутри нерва, если снаружи она составляет 12 мМ? Принять температуру равной 20 0 С. 5. Определите время, в течение которого устанавливается равновесная концентрация эритрола в клетке, если объем клетки 70 мкм 3 , коэффициент проницаемости 13 мкм/с, а площадь поверхности мембраны клетки 43 мкм 2 6. В клетках фагоцитов равновесная концентрация вещества устанавливается за 0,2 с. Чему равен коэффициент проницаемости этого вещества через мембрану фагоцитов, если считать клетку телом сферической формы диаметром 8 мкм? 7. Как изменится мембранный потенциал, если поток натрия внутрь клетки увеличится вдвое, а количество калия останется прежним? 8. Как изменится мембранный потенциал нервного волокна, если закрыть 30% калиевых каналов? 9. Как изменится мембранный потенциал, если заблокировать работу Nа-K – зависимой АТФ-азы? 118 10. Порог раздражающего тока 0,3 мА. Ткань раздражается током в 1,0 мА., но возбуждения не возникает. В каком случае это может наблюдаться? Тест–задания 1. К пассивным электрическим свойствам мембраны относятся: A. Микровязкость мембраны B. Сопротивление C. Емкость D. Амплитуда локального ответа 2. Электрохимический градиент зависит от: A. Концентрации ионов B. Толщины мембраны C. Заряда мембраны D. Температуры 3. Константа длинны нервного волокна – это расстояние: A. На которое распространяется потенциал действия B. На которое распространяется возбуждение от точки нанесения раздражения C. Между двумя соседними перехватами Ранвье 4. Аутостабилизация амплитуды потенциала действия связана: A. С изменением электрохимического градиента B. С изменением концентрации ионов натрия C. С изменением проницаемости мембраны 5. Вклад локального ответа в генерацию потенциала действия существенен: A. При нанесении короткого стимула B. При нанесении длительного стимула C. В обоих случаях 6. Укажите пороговые условия возникновения потенциала действия: A. Превышение входящего тока над выходящим B. Возникновение локального тока C. Изменение заряда мембраны 7. Вторая фаза локального тока в данной точке мембраны: A. Способствует развитию потенциала действия B. Препятствует развитию потенциала действия C. Не влияет на потенциал действия 8. При увеличении входного сопротивления мембраны нервного волокна надежность проведения импульса: A. Уменьшается B. Увеличивается C. Не изменяется 9. Скорость проведения импульса по безмякотному нервному волокну зависит от: A. Диаметра волокна B. Корня квадратного из диаметра волокна C. Квадрата диаметра волокна 119 10. Скорость проведения импульса по мякотному нервному волокну зависит от: A. Диаметра волокна B. Корня квадратного из диаметра волокна C. Квадрата диаметра волокна 11. При проведении импульса через зону расширения волокна задержка проведения обусловлена: A. Уменьшением входного сопротивления B. Уменьшением удельного сопротивления C. Увеличением емкости мембраны 12. При проведении импульса через зону расширения волокна задержка проведения обусловлена: A. Уменьшением 1 фазы локального тока B. Увеличением 2 фазы локального тока C. Уменьшением 3 фазы локального тока 13. При приходе в точку 7-кратного суммарного расширения 2-х волокон двух импульсов с интервалом 1 мсек: A. Будут проведены оба импульса B. Будет проведен один импульс C. Проведение будет заблокировано 14. При проведении нервного импульса из мякотной части волокна в безмякотную терминаль задержка проведения обусловлена: A. Увеличением сопротивления мембраны B. Увеличением площади мембраны C. Затратой энергии на выброс медиатора 15. Функциональные неоднородности обусловлены: A. Изменением удельного сопротивления мембраны B. Изменением удельной емкости мембраны C. Изменением свойств белков внешней поверхности мембраны 16. Парабиоз Введенского проявляется: A. Снижением частоты импульсов B. Периодическим выпадением импульсов C. Непериодическим выпадением импульсов 17. Основная ошибка модели парабиоза Беркенблита заключается в следующем: A. Она не учитывает кинетику инактивации натриевого тока B. Она не учитывает явления абсолютной рефрактерности C. Она не учитывает влиянеие на мембрану импульса, пришедшего в фазу рефрактерности 18. Константы, входящие в кабельное уравнение, зависят от: A. Амплитуды потенциала действия B. Ионной проницаемости мембраны C. Пассивных электрических свойств мембраны 19. Воротный ток – это: A. Ток, протекающий через канал при закрытых воротах: B. Ток, протекающий через канал в процессе открывания ворот 120 C. Ток смещения, регистрируемый в толще мембраны во время открывания ворот 20. Метод фиксации потенциала используется для: A. Измерения ионных токов B. Измерения сопротивления мембраны C. Измерения мембранного потенциала Правильные варианты ответов 1. B, C 2. A, C, D 3. B 4. A 5. A 6. A 7. B 8. B 9. B 10. A 11. A 12. B 13. B 14. B 15. A, B 16. B 17. C 18. C 19. C 20. A 121 IX. БИОФИЗИКА СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ Общие положения Различают несколько видов синаптической передачи (синапсов): 1. Электрические синапсы. 2. Химический синапс. 3. Смешанные синапсы. Их функция обеспечить (возбуждающие синапсы) или предотвратить (тормозные синапсы) передачу нервного импульса с одного электровозбудимого объекта (нейрон–нейрон, нейрон–мышца) на другой. Критерием дифференцировки синапсов являются их отличия касательно электрофизиологических свойств, морфологических характеристик, фармакологической регуляции. А. Электрофизиологические свойства: 1. Наличие электрической связи между клетками Для электрического синапса (Э.С.) она обеспечивает зависимость тока входящего направления через мембрану пресинаптической клетки от: Э.С. Vпостсинапт Vпресинапт и равна 0,1-0,5 (определяется RC- - мембран); Для химического синапса (Х.С.) 0. 2. Величина синаптической задержки (интервал между началом пресинаптического ПД и постсинаптической деполяризацией): Для Х.С. он равен 0,2 и выше (до 0,8-100)мс. Для Э.С. = 0,1 мс. (зависит от RC- -мембран). 3. Зависимость постсинаптического потенциала (ПСП) от исходного уровня мембранного потенциала (Vм): Для Э.С. – нет зависимости, так как ПСП определяется V пресинапт. и коэффициентом передачи. Для Х.С. – есть и величина тока I i через постсинаптическую мембрану равна: ( ) i i i m I g V V , где: V i и V m – уровни ПСП и исходного мембранного потенциала Б. Морфологические характеристики: Э.С. отличает малая ширина синаптической щели (100 нм), наличие специализированных структур щелевых контактов. В их состав входят особые каналы, проницаемы для низкомолекулярных веществ (1-2 кД). Щелевые контакты получили название высокопроницаемых контактов 122 (ВПК). Они чувствительны к механическому разобщению из-за удаления ионов кальция из раствора, алкалоза, действия гипертонического раствора. Рис. 25. Химический синапс Химический синапс представляет особую структуру, в состав которой входят пре- и постсинаптическая мембраны (толщина мембран 4-5нм) и синаптическая щель (100-150мкм). Пример-двигательная пластинка нервно- мышечной синаптической передачи. Зона активного контакта концевой пластинки -1,5 мкм. Аксоплазма имеет синаптические пузырьки диаметром 50 нм. В. Фармакологические критерии: Э.С. – не чувствительны к замене Са 2+ на Mg 2+ , Со 2+ Х.С. – чувствительны к действию медиаторов и их метаболизму, уровню ионов кальция. Электрические синапсы Каждый из видов синаптической передачи имеет преимущества и недостатки. Например, Э.С. отличает от Х.С. то, что они: 1. малозависимы от метаболизма (ферментов); 2. нет истощения функций; 3. проводят высокочастотные серии импульсов. Электрические синапсыподразделяют на: 1. Невыпрямляющие синапсы. Когда ток через постсинаптическую мембрану вызывает линейные сдвигиV мембр. независимо от направления движения импульса. 2. Выпрямляющие. Когда V pre V post и импульс пользуется преимуществом проведения в одном из направлений. Химический синапс Условиями функционирования Х.С.является следующее: 1. медиатор выделяется при возбуждении; 2. должен прийти стимул – эффект возбуждения; 3. блокаторы синаптической передачи должны быть активны; 4. должно быть метаболическое обеспечение медиатора. Электрические явления в Х.С.: 1. В состояние покоя регистрируется миниатюрный потенциал концевой пластинки (МПКП) – электрический эквивалент выделения в синаптическую 123 щель спонтанного выделения 1 кванта медиатора. МКПК = 0,4-0,6мВ. Зона действия несколько каналов. 2. При стимуляция нейрона 30-50 Гц регистрируется ответ -50мв - потенциал концевой пластинки (ПКП). Он соответствует критическому уровню деполяризации скелетного мышечного волокна. Квантово-везикулярная теория(Katz, Melodi). Пусть m – квантовый состав ПКП; n – величина одного кванта; р – вероятность выделения кванта (m = pn); где m – целое случайное число и различие между ответами кратно n. Для параметров n 400 и р 0,25 эта теория верна. В ответ на изменения пресинаптического потенциала возникает кривая Ленгмюра зависимости от ПКП ( Рис. 26). Рис. 26. |