|
|
пз2. Модификация балконного опыта Гальвани
Первые попытки изучения биоэлектрических явлений («животного электричества») известны с XVIII в., когда были выполнены исследования на «электрических» органах рыб (Адансон, 1751; Целп, 1773;Вильямсон, 1775, и др.). Все эти исследования подготовили благоприятную почву для трудов И.О. Гальвани, заложивших основу электрофизиологии как самостоятельной области науки. В 1791 г. им были опубликованы результаты исследований, в том числе знаменитого «балконного» опыта (рис. 2.6), который заключался в следующем: при подвешивании нервно-мышечного препарата на железную решетку с помощью медного крючка, проходящего через спинной мозг препарата, имело место сокращение мышц лапки лягушки каждый раз, когда эта лапка соприкасалась с железной решеткой балкона.
«Балконный» опыт Гальвани (по Л.В. Латманизовой)
Однако Гальвани возразил знаменитый ученый-физик А. Вольта, который считал, что в «балконном» опыте мышца является лишь чувствительным «электрометром» электричества, порождаемого контактной разностью потенциалов металлов, используемых в опытах. Защищая свою точку зрения, Гальвани воспроизводит различные модификации опытов, в которых сокращение мышцы вызывалось путем набрасывания нерва с помощью стеклянной палочки на поврежденный и неповрежденный участки мышцы (рис. 2.7).
Модификация «балконного» опыта Гальвани
Позднее открытия Гальвани были подтверждены в работах Мат- теучи (1837). Однако Маттеучи обнаружил явление вторичного, или индуцированного, сокращения: при помещении нерва одного нервно-мышечного препарата на мышцу другого препарата и раздражении нерва второго препарата Маттеучи наблюдал сокращение мышц обоих препаратов (рис. 2.8).
Опыт Маттеучи
На основании этого явления Маттеучи выдвинул предположение об изменении электрических зарядов нервной ткани при ее возбуждении.
Дальнейшее развитие представлений о природе «животного электричества» связано с внедрением в физиологию экспериментальных приемов и техники. В 1820 г. Швейгер сконструировал гальванометр, который итальянский физик Нобели, усовершенствовав, применил в 1827 г. для проверки опытов Гальвани. Однако наибольший интерес представляют работы Э. Дюбуа—Реймона, выполненные в 1840—60 гг. В этих работах благодаря высокочувствительному гальванометру и ряду других технических новшеств удалось впервые обнаружить электрические процессы в мышце, зарегистрировав потенциал наружной и внутренней поверхностей мембраны клеток. Впервые было установлено, что наружная мембрана заряжена положительно по отношению к внутренней и эта разность потенциалов изменяется при сокращении мышцы.
В 1896 г. В.Ю. Чаговец впервые высказал гипотезу о ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и попытался применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю.Бернштейном была развита мембранно-ионная теория, согласно которой клеточная поверхность представляет собой полупроницаемую мембрану, которая в состоянии физиологического покоя снаружи заряжена положительно, а внутри — отрицательно.
В 1936 г. английский зоолог Джон Юнг обнаружил у кальмаров и каракатиц необычайно толстые аксоны, которые впоследствии стали называть «гигантскими аксонами». Их диаметр превышал 0,5 мм, что позволило достаточно легко вводить в них микроэлектроды, проводить химический анализ содержащейся в них жидкости, вводить в них различные растворы и т.д. «Гигантские аксоны» стали объектом изучения биоэлектрических явлений в тканях, с их помощью было получено много новых и интересных данных.
Современные представления о природе биоэлектрических явлений в тканях базируются на результатах работ Алана Ходжкина, Эн- дрью Хаксли, Бернарда Катца, которые в 1940-50-х гг. модифицировали и экспериментально обосновали мембранно-ионную теорию Ю. Бернштейна. В настоящее время их взгляды о природе биоэлектрических явлений пользуются всеобщим признанием. Согласно их представлениям наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено различной концентрацией ионов Na+, К+, Са2+ и СГ внутри и вне клетки, а также различной проницаемостью для них клеточной мембраны. За разработку теории ионного механизма возбуждения эти авторы были удостоены звания лауреатов Нобелевской премии.
С позиций современных представлений о биоэлектрических явлениях ясно, что все процессы жизнедеятельности неразрывно связаны с различными формами биоэлектрических явлений.
Исследование биоэлектричества имеет большое значение для понимания физико-химических и физиологических процессов в живых системах и применяется в клинике с диагностической целью (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и др.).
В 1924 г. английский физиолог Донанн установил, что разность потенциалов внутри клетки и вне ее, т.е. потенциала покоя или МП, близка к калиевому равновесному потенциалу. Это потенциал, образующийся на полупроницаемой мембране разделяющий растворы с разной концентрацией ионов калия, один из которых содержит крупные непроникающие анионы. Его расчеты уточнил Нернст. Экспериментально механизмы возникновения разности потенциалов между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой установили в 1939 году Ходжкин и Хаксли. Они исследовали гигантское нервное волокно (аксон) кальмара и обнаружили, что внутри клеток имеется избыток калия, а вне их натрия и кальция. Это обусловлено тем, что в клеточную мембрану встроены ионные каналы, регулирующие проницаемость мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора.
Суммарная проводимость для того или иного иона определяется числом одновременно открытых соответствующих каналов. В состоянии покоя открыты только калиевые каналы и закрыты натриевые. Поэтому мембрана избирательно проницаема для калия и очень мало для ионов натрия и кальция, за счет неспецифических каналов. Ионы калия поступают в цитоплазму и накапливаются в ней. Когда их количество достигает определенного предела, они по градиенту концентрации начинают выходить через открытые калиевые каналы из клетки. Однако уйти от наружной поверхности клеточной мембраны они не могут. Там их удерживает электрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Поэтому на наружной поверхности мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная разность потенциалов.
Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший потенциал с положительным знаком снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. Т.е. накопившиеся на наружной стороне мембраны ионы калия не будут отталкивать внутрь такие же ионы. Возникает определенный потенциал мембраны, уровень которого определяется проводимостью мембраны для ионов калия и натрия в состоянии покоя.
Так как мембрана в состоянии покоя незначительно проницаема для ионов натрия, необходим механизм выведения этих ионов из клетки. Этот механизм называется натрий-калиевым насосом. Натрий-калиевый насос - это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет АТФ и использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в неё. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой АТФ-азы выводит 3 иона натрия и вносит 2 иона калия.
В мембране имеются следующие механизмы трансмембранного транспорта ионов и других веществ:
·1.Активный транспорт. Он осуществляется с помощью энергии АТФ.
·2.Пассивный транспорт. Передвижение ионов осуществляется по градиенту концентрации без затрат энергии.
·3.Сопряженный транспорт. Противоградиентный перенос ионов без затрат энергии..
Мембранный потенциал регистрируется с помощью микроэлектродного метода. Для этого через мембрану, в цитоплазму клетки вводится тонкий, диаметром менее 1 мкМ стеклянный микроэлектрод. Он заполняется солевым раствором. Второй электрод помещается в жидкость, омывающую клетки. От электродов сигнал поступает на усилитель биопотенциалов, а от него на осциллограф и самописец (рис).
Исследования Ходжкина и Хаксли показали, что при возбуждении аксона кальмара возникает быстрое колебание мембранного потенциала, которое на экране осциллографа имело форму пика. Они назвали это колебание потенциалом действия (ПД). Так как электрический ток для возбудимых мембран является адекватным раздражителем, ПД можно вызвать, поместив на наружную поверхность мембраны катод, а внутреннюю анод. При токе пороговой силы МП снижается до критического уровня деполяризации (КУД), при котором начинается генерация потенциала действия.
На кривой потенциала действия выделяют следующие фазы:
·1.Локальный ответ (местная деполяризация), предшествующий развитию ПД.
·2.Фаза деполяризации. Во время этой фазы МП быстро уменьшается и достигает нулевого уровня. Уровень деполяризации растет выше 0. Поэтому мембрана приобретает противоположный заряд - внутри она становится положительной, а снаружи отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала.
·3.Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП.
·4.Фаза следовой деполяризации. Период, когда возвращение МП к потенциалу покоя временно задерживается. Он длится 15-30 мсек.
·5.Фаза следовой гиперполяризации или следового положительного потенциала. В эту фазу, МП на некоторое время становится выше исходного уровня ПП. Ее длительность 250-300 мсек.
Возникновение ПД обусловлено изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период локального ответа открываются медленные натриевые каналы, а быстрые остаются закрытыми, возникает временная самопроизвольная деполяризация. Когда МП достигает критического уровня, закрытые активационные ворота натриевых каналов открываются и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, вызывая нарастающую деполяризацию. В эту фазу открываются и быстрые и медленные натриевые каналы.
Когда величина деполяризация приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия (+20 мВ). сила концентрационного градиента натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации быстрых натриевых каналов и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия. В некоторых клетках это происходит из-за активации специальных каналов калиевого выходящего тока. Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смещения МП к уровню потенциала покоя. Т.е. начинается фаза реполяризации.
Возникновение фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных натриевых каналов остается открытой.
Следовая гиперполяризация связана с повышенной, после ПД, калиевой проводимостью мембраны и тем, что более активно работает натрий-калиевый насос.
Изменяя проводимость быстрых натриевых и калиевых каналов можно влиять на генерацию ПД, а следовательно на возбуждение клеток. Это используется в клинике.Чем выше скорость распространения ПД по мембране клетки, ткани, тем выше ее проводимость.
Деятельность натрий- калиевого насоса.
Механизм работы ионных насосов заключается в следующем. Na/K-насос - молекула интегрального белка, пронизывающая всю толщу клеточной мембраны, переносит за один цикл 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку (антипорт - противотранспорт). Это осуществляется в результате конформации молекулы белка в форму E1 или E2. Молекула имеет участок, который связывает либо ион Na+, либо ион K+, - это активный участок. При конформации E1 белковая молекула активной своей частью обращена внутрь клетки и обладает сродством к иону Na+, который присоединяется к белку, в результате чего активируется его АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и освобождение энергии. В результате освобождения энергии изменяется конформация молекулы белка: она превращается в форму E2, в результате чего активный ее участок уже обращен наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к иону Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа приобретает сродство к иону K+ и соединяется с ним. Это ведет снова к изменению конформации переносчика: форма E2 переходит в форму E1, активный участок белка снова обращен внутрь клетки. При этом он теряет сродство к иону K+ и последний отщепляется, а белок приобретает снова сродство к иону Na+ - цикл повторяется. Насос является электрогенным, поскольку за один цикл выводится из клетки 3 иона Na+ а возвращаются в клетку 2 иона K+. Энергия расходуется только на перенос ионов Na+. На обеспечение одного цикла работы Na/K - помпы расходуется одна молекула АТФ.
Деполяризация развивается в возбудимых тканях под действием раздражителей.
Раздражитель при действии на мембрану нарушает её проницаемость, ионное равновесие состояния покоя. Под действием раздражителя открываются легкие ворота натриевых каналов, и ионы натрия пассивно поступают в клетку. В результате снижается величина положительного заряда на мембране и увеличивается в цитоплазме. Эти процессы лежат в основе местных потенциалов. Как только этот потенциал достигает Критического уровня деполяризации (КУД), происходит перезарядка мембраны. Поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к мембране, возникает ПД. (его напряжение примерно 120 mV)/
Локальный ответ –медленная деполяризация, предшествующая быстрой деполяризации. Сам в ПД не входит. Роль ЛО выведение мембранного потенциала на КУД.
КУД – Зависит от свойств мембраны клетки. Возбудимость клетки же зависит от КУД, МПП, и Порогового потенциала(ΔU). При деполяризации Пороговый потенциал уменьшается, при гиперполяризации – увеличивается
ΔU = U КУД-UМПП
Св-ва ЛО:Он местный по мембране распространяется с декрементом( затуханием) (ПД распространяется без Декремента)
Не имеет чёткого порога. Он возникает при подпороговом раздражителе. Подчиняется закону силы: чем выше сила, тем больше амплитуда ЛО.
(ПД – имеет чёткий порог – КУД, и отвечает закону «всё или ничего»)
ЛО обладает способностью к суммации.
рефрактерным периодом (рефрактерностью) называют период времени после возникновения на возбудимой мембране потенциала действия, в ходе которого возбудимость мембраны снижается, а затем постепенно восстанавливается до исходного уровня.
Абсолютный рефрактерный период — интервал, в течение которого возбудимая ткань не способна генерировать повторный потенциал действия (ПД), каким бы сильным ни был инициирующий стимул.
Относительный рефрактерный период — интервал, в течение которого возбудимая ткань постепенно восстанавливает способность формировать ПД. В ходе относительного рефрактерного периода стимул, более сильный, чем тот, который вызвал первый ПД, может привести к формированию повторного ПД.
Причины рефрактерности возбудимой мембраны
Рефрактерный период обусловлен особенностями поведения потенциал-зависимых натриевых и потенциал-зависимых калиевых каналов возбудимой мембраны.
В ходе ПД, потенциал-зависимые натриевые (Na+) и калиевые (К+) каналы переходят из состояния в состояние. У Na+ каналов основных состояний три — закрытое,открытое и инактивированное. У K+ каналов два основных состояния — закрытое и открытое.
При деполяризации мембраны во время ПД, Na+ каналы после открытого состояния (при котором и начинается ПД, формируемый входящим Na+ током) временно переходят в инактивированное состояние, а K+ каналы открываются и остаются открытыми некоторое время после окончания ПД, создавая выходящий К+ ток, приводящий мембранный потенциал к исходному уровню.
В результате инактивации Na+ каналов, возникает абсолютный рефрактерный период. Позже, когда часть Na+ каналов уже вышла из инактивированного состояния, ПДможет возникнуть. Однако для его возникновения требуются очень сильные стимулы, так как, во-первых, «рабочих» Na+ каналов всё ещё мало, а во-вторых, открытые К+каналы создают выходящий К+ ток и входящий Na+ ток должен его перекрыть, чтобы возник ПД — это относительный рефрактерный период.
• распространяется по нервным волокнам без затухания, амплитуда потенциала действия одинакова на любом расстоянии от места его возникновения;
• расстояние, на которое распространяется потенциал действия, ограничено только длиной нервного волокна;
• распространение потенциала действия – активный процесс, в ходе которого изменяется состояние ионных каналов волокна, энергия АТФ требуется для восстановления трансмембранных ионных градиентов;
• механизм проведения потенциала действия более сложен, чем механизм распространения местного возбуждения.
Распространение по мембране (в том числе и возбудимой) с
затуханием (уменьшением амплитуды и на незначительное расстояние).
Электрический ток, распространяющийся вдоль мембраны, по мере удале-ния от точки нанесения раздражения уменьшается по величине, так как
"расходуется" на преодоление электрических сопротивления и емкости
среды. Соответственно сдвиги МП будут уменьшаться по мере удаления
от места раздражения. Чем больше сопротивление мембраны, диаметр
аксона и чем меньше сопротивление аксоплазмы, тем больше будет расстоя-ние, на которое распространится ток. Значимый локальный ответ как прави-ло распространяется на расстояние не более 2-5 мм
Мембранный потенциал покоя мышечного волокна составляет 80-90 мв, а потенциал действия - 120-135 мв. Условием возникновения потенциала действия является критическая деполяризация мембраны. При непрямом раздражении мышцы критическая деполяризация мембраны осуществляется ацетилхолином, выделяющимся в нервных окончаниях при поступлении к ним нервного импульса.
Возникший в области нервно-мышечного соединения потенциал действия распространяется далее вдоль всего мышечного волокна. При прямом раздражении электрическим током потенциал действия в мышечном волокне возникает под катодом и распространяется из этой точки по волокну.
Длительность потенциала действия мышечного волокна - 3-5 мсек, т.е. 5-10 раз больше продолжительности потенциала действия двигательных нервных волокон, иннервирующих мышцу. Поэтому максимальное число импульсов, которое может воспроизводить мышца, не превышает 200-250 в секунду.
В возникновении потенциала покоя в скелетном мышечном волокне главную роль играют ионы Кֺ, диффундирующие из клетки в окружаю среду, и ионы Сl' диффундирующие в противоположном направлении. Потенциал действия обусловлен повышением натриевой проницаемости мембраны и потоком ионов Naֹ внутрь волокна. |
|
|
Скачать 24.6 Kb.