Биофизика. Биофизика мембран. Навчальнометодичний посібник для викладачів для проведення занять студентів зі спеціальностей 12010001 Лікувальна справа
 Скачать 6.62 Mb.
|
|
3. Рівняння Нернста для іонів калію дозволяє розрахувати величину: А. щільності потоку цих іонів через мембрану Б. швидкості електродіффузіі даних іонів В. мембранного потенціалу спокою Г. мембранного потенціалу при порушенні Д. електрохімічного градієнта даного іона 4. Рівняння Нернста дозволяє розрахувати значення мембранного потенціалу: А. з урахуванням проникності мембрани для одного іона і його концентрації Б. з урахуванням концентрації всіх іонів клітини і проникності для них мембрани В. з урахуванням тільки концентрацій всіх здатних до дифузії іонів Г. за умови, що мембрана проникна тільки для одного виду іонів Д. за умови, що мембранний потенціал виміряно за допомогою вольтметра 5. Основні катіони між цитоплазмою клітини і її навколишнім середовищем розподілені наступним чином: А. іонів калію і натрію багато зовні клітини і мало всередині Б. іонів калію багато всередині клітини, а хлору - зовні В. іонів калію і натрію багато всередині клітини і мало зовні Г. іонів калію багато зовні клітини, а іонів натрію - всередині Д. іонів калію багато всередині клітини, а іонів натрію - ззовні 6. Які основні аніони нейтралізують заряд катіонів всередині і зовні клітини: А. всередині клітини заряд не нейтралізується, а зовні - іонами хлору Б. основними аніонами цитоплазми і позаклітинної рідини служать іони хлору В. всередині клітини іони хлору, а зовні - органічні аніони Г. всередині клітини - органічні аніони, зовні - іони хлору Д. в обох випадках - всередині і зовні - органічні аніонами 7. Між внутрішньою і зовнішньою стороною мембрани існує градієнт іонів натрію і калію. Поясніть іонний механізм мембранного потенціалу спокою: А. проникність мембрани для натрію більше проникності для калію Б. градієнт іонів калію більше, ніж градієнт іонів натрію В. проникність мембрани для калію більше проникності для натрію Г. градієнт іонів натрію більше, ніж градієнт для іонів калію Д. градієнти і проникності мембрани для вказаних іонів однакові 8. Градієнт іонів калію і натрію на мембрані створюється в ході: А. дифузією іонів за градієнтом їх електрохімічних потенціалів Б. первинно-активного транспорту з витратою енергії метаболізму В. дифузією іонів проти градієнта їх електрохімічних потенціалів Г. вторинно-активного транспорту без безпосереднього гідролізу АТФ Д. електродіффузіі даних іонів без витрати енергії метаболізму 9. У спокої мембрана переважно проникна: А. для іонів натрію В. для будь-яких іонів Б. для аніонів, але не катіонів Г. для іонів калію Д. для будь-яких катіонів 10. Проникність мембрани в спокої для іонів обумовлена: А. їхньою концентрацією всередині клітини Б. їх концентрацією зовні клітини В. зарядом іона по знаку і величині Г. властивостями іонних каналів Д. здатністю іона розчинятися в ліпідах 11. Одиницею виміру мембранного потенціалу є: А. фарад Б. вольт В. ампер / метр Г. ампер Д. вольт / метр 12. Найбільш точне значення величини мембранного потенціалу спокою можна отримати за допомогою рівняння: А. Нернста для іонів калію В. Гольдмана-Ходжкіна Б. Нернста для іонів натрію Г. Нернста-Планка Д. Менделєєва-Клапейрона 13. Для розрахунку мембранного потенціалу по рівнянню Нернста приймають, що мембрана проникна тільки для одного виду іонів. Вкажіть його в разі, якщо мембрана знаходиться у спокої: А. калій В. натрій Д. магній Б. кальцій Г. хлор 14. Проникність мембрани для іонів натрію: А. максимально можлива в спокої, може зменшуватися в інших умовах Б. велика в спокої, але може збільшуватися при збудженні і в інших умовах В. має максимально можливу величину в спокої і не змінюється Г. мала в спокої, але може істотно зростати при збудженні клітини Д. мала в спокої і в будь-яких інших умовах, в яких перебуває клітка 15. Проникність мембрани в спокої для іонів натрію приблизно: А. в 25 разів менше, ніж для іонів калію Б. в 25 разів більше, ніж для іонів калію В. перевищує проникність для іонів калію Г. однакова з проникністю для іонів калію Д. у 25 разів менше, ніж для іонів хлору 16. Дифузія іонів калію в здоровій клітині: А. здійснюється за допомогою натрій-калієвого насоса Б. не відбувається через відсутність відповідних каналів В. є причиною деполяризації мембрани клітини Г. є причиною мембранного потенціалу спокою Д. не відбувається через інактивації калієвих каналів 17.Для того, щоб розрахувати мембранний потенціал спокою по рівнянню Нернста, необхідно виміряти або знати: А. концентрації калію всередині і зовні клітини і проникність для них мембрани Б. концентрації іонів натрію і калію всередині і зовні клітини В. різницю потенціалів між внутрішньою і зовнішньою стороною мембрани Г. співвідношення концентрацій іонів натрію всередині і зовні клітини Д. співвідношення концентрацій іонів калію всередині і зовні клітини 18. У рівнянні Нернста потенціал електрохімічного рівноваги іона залежить: А. від його виду, концентрації всередині клітини і зовні, температури Б. від концентрації іона зовні клітини і температури, але не від його виду В. тільки від концентрації іона всередині клітини і зовні Г. від виду іонів, числа Фарадея і температури, але не від концентрації Д. від концентрації потенціалобразующіх іонів в рідких середовищах клітини 19. Потенціал електрохімічного може бути розрахований: А. тільки для іонів калію В. для будь-якого іона Б. для будь-якої речовини Г. тільки для іонів натрію Д. тільки для іонів натрію та калію 20. У стані спокою: А. калієві канали відкриті, натрієві закриті Б. калієві канали закриті, натрієві відкриті В. калієві і натрієві канали інактивовані Г. калієві канали інактивовані, натрієві закриті Д. калієві канали відкриті, натрієві інактивована V. Підведення підсумків заняття, домашнє завдання 10 хв.: Тема наступного заняття: «Виникнення та розповсюдження потенціалу дії» Питання для підготовки до заняття: 1. Поняття потенціалу дії, умови його виникнення у збудливих мембранах. 2. Основні фази потенціалу дії. Амплітуда та тривалість ПД нервового волокна. 3. Іонні механізми деполяризації і реполяризації мембрани нервового волокна при виникненні потенціалу дії. 4. Роль iонних каналiв мембрани при виникненнi потенцiалу дiї. 5. Застосування рівняння Нернста для обґрунтування іонного механізму виникнення потенціалу дії. 6. Застосування рівняння Гольдмана-Ходжкіна для обґрунтування іонного механізму виникнення потенціалу дії. 7. Розповсюдження потенціалу дії по збудливим мембранам. ЛІТЕРАТУРА: 1. Основи біофізики / / Навчальний посібник для студентів медичного факультету - Запоріжжя, ЗДМУ, 2011. 2. Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика- Львів: Світ, 2003.-с. 197-212. ТЕМА ЗАНЯТТЯ 5: ВИНИКНЕННЯ ТА РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ: Нормальне функціонування організму неможливе без обміну інформацією між клітинами, одним зі засобів якого є можливість генерувати і сприняття клітинами нервового імпульсу. Потенціал дії (нервовий імпульс) забеспечує швидку передачу інформації в організмі. Тема інтегрована з попередніми заняттями, вивчення механізму потенціалу дії сприяє успішному вивченню наступних тем курсу: «Біофізика м’язового скорочення», «Основи електрокардіографії». ЦІЛІ ЗАНЯТТЯ: Трактувати поняття «потенціал дії» та пояснювати умови його винекнення; Відокремлювати основні фази потенціалу дії; Пояснювати іонні механізми різних фаз потенціалу дії; Розраховувати мембранний потенціал дії за рівняннями Нернста, Гольдмана – Ходжкіна; Трактувати механізм розповсюдження потенціалу дії; Характеризувати основні параметри потенціалу дії (амплітуду, тривалість), використовуя надані графіки. МАТЕРІАЛИ МЕТОДИЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ: Матеріали для основної частини заняття: таблиці, схеми, малюнки, проблемні теоретичні питання зі збірника «Робочий зошит для самостійної роботи на практичних заняттях для студентів медичного факультету» Для практичної роботи: лінійка, мікрокалькулятор. 2. Матеріали для контролю знань:тестові питання для стандартизованого контролю знань студентів. 3. Матеріали для самопідготовки студентів: рекомендовані навчальні посібники, методичні вказівки для самостійної роботи студентів. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ: Нервові і м'язові клітини здатні переходити зі стану спокою в стан збудження. Їх плазматична мембрана здатна генерувати потенціали дії. Функціональне значення потенціалів дії: 1. вся інформація в нервових клітинах передається за допомогою потенціалів дії; 2. В м'язових клітинах потенціал дії запускає процес м'язового скорочення. Потенціал дії - швидке коливання мембранного потенціалу клітини. Його форма і величина відрізняються у різних клітин. Амплітуда потенціалу дії в нервових клітинах досягає 110 - 130 мілівольт, а тривалість становить 0,5 - 1,0 мілісекунд. Виникнення потенціалу дії починається з деполяризації мембрани, в ході якої величина мембранного потенціалу клітини швидко зміщується в напрямку нуля. Потім виникає реверсія потенціалу. У цьому стані мембранний потен-ціал стає на короткий час позитивним, тобто змінює свій знак. Далі слід реполяризация мембрани, в ході якої мембранний потенціал повертається до своєї вихідної величини. Іонний механізм виникнення потенціалу дії. Виникнення потенціалу дії обумовлено різким підвищенням іонної проникності плазматичної мембрани (збільшується приблизно в 500 разів у порівнянні зі станом спокою). Як відомо, концентрація іонів натрію в середовищі, що оточує клітину, значно перевершує їх концентрацію в цитоплазмі, а мембранний потенціал спокою негативний. Тому при підвищенні проникності мембрани для іонів натрію як концентраційний, так і електричніський градієнти сприяють тому, що потік катіонів натрію спрямовується всередину клітини шляхом дифузії і викликає її деполяризацію. Саме надходження іонів натрію всередину клітини зміщує її мем-бранний потенціал в напрямку нуля і робить його позитивним. Однак, мембранний потенціал не досягає рівноважного потенціалу для іонів натрію, який складає +55 мВ тому,що до цього в мембрані виникає процес інактивації перенесення натрію, який припиняє його надходження в клітину. Наступним етапом є підвищення калієвої проникності плазматичної мембрани в порівнянні зі станом спокою. Іони калію дифундують у напрямку зменшень свого електрохімічного потенціалу, тобто з клітки в навколишнє середовище. В результаті мембранний потенціал повертається до іонної величиною (реполяризация мембрани). Виникнення потенціалу дії обумовлено складними процесами, що відбуваються в іонних каналах мембрани, які управляються шляхом зміни електричного поля (потенціалзалежні канали). У виникненні потенціалу дії збудливих клітин беруть участь натрієві і калієві канали. Перші з них беруть участь в деполяризації мембрани, другі - в реполяризації. Натрієві канали збудливих клітин мають два типа воріт: активаційні та інактіваційні. Коли мембранний потенціал клітини відповідний до потенціалу спокою, ймовірність відкритого стану натрієвих каналів мала. Їх активаційні ворота знаходяться в закритому стані. Інактіваціонние ворота, навпаки, відкриті. Причиною виникнення потенціалу дії є деполярізация плазматичної мембрани, яка призводить клітину в активний стан: відбувається переход активаційних воріт натрієвих каналів в відкритий стан. Відкривання воріт пов'язане з переміщенням в мембрані рухомих електричних зарядів, що належать їх сенсорам напруженості. При цьому виникає так званий ворітний ток, який передує іонним струмам, що викликають потенціал дії. Коли депо-поляризація мембрани досягає певного рівня, вона починає посилювати сама себе. Іони натрію, що надходять через канали, виклиють подальшу деполяризацію клітини, внаслідок чого збільшується число відкритих каналів мембрани. В результаті потенціал швидко досягає максимальної амплітуди. Відбувається зміна негативного знака мембранного потенціалу на позитивний. Однак деполяризація мембрани впливає не тільки на активаційніні, а й на інактіваціоні ворота натрієвих каналів. При більш значній деполярізаціі мембрани вони закриваються, припиняючи доступ натрію в клітку. Ворота калієвих каналів також відкриваються під впливом деполяризації мембрани. На відміну від воріт натрієвих каналів максимальне відкривання калієвих каналів відбувається при значній деполяризації мембрани, коли натрієві канали вже є закритими в результаті своєї інактивації. Калієві канали не мають виражену інактивацією, тому калієвий струм виявляється більш тривалий, ніж натрієвий. Найважливішою особливість потенціалу дії є його здатність поширюватися по нервовій клітині з певною швидкістю. Завдяки цьому потенціали дії здійснюють свої сигнальні функції. Місцеві струми в мембрані, що виникають під впливом потенціалу дії, деполярізуют сусідні незбуджені ділянки. У результаті ці ділянки також приходять у стан збудження. У них виникають потенціали дії. Таким чином, процес збудження передається від точки до точки і поширюється по мембрані. Велика частина поверхні мембрани покриті жироподібною речовиною - мієліном, який виробляється спе-соціальними клітинами. Залишаються непокритими тільки окремі участки, так звані перехоплення Ранвьє. Мієлін є ізолятором, через котрий не проходять силові лінії місцевих струмів. Це дає потенціалу дії можливість як би перескакувати від одного перехоплення на інший (сальтаторне проведення). В результаті швидкість його поширення збільшується в багато разів. ПЛАН ТА ОРГАНІЗАЦІЙНА СТРУКТУРА ЗАНЯТТЯ: І. Визначення актуальності, цілей заняття 5 хв. ІІ. Письмова самостійна робота студентів з «Робочим зошитом для студентів медичного факультету» 30 хв.: На рис. 1 представлені графіки потенціалу дії різних збудливих тканин. Розгляньте малюнок і дайте відповідь на питання.  Рис.1 1.1. Что таке потенціал дії? Вкажіть його фази. Потенціал дії є швидке коливання мембранного потенціалу клітини. Фази потенціалу дії: деполяризація, реверсія, реполяризація. 1.2. Опішіте відмінності потенціалів дії збудливих тканин, які зображені на малюнку. ПД відрізняються за формою, величиною, тривалістю в різних типах збудливих клітин. Амплітуда потенціалу дії в нервових клітинах досягає 110 - 130 мілівольт, а тривалість складає 0,5 - 1,0 мс. Амплітуда потенціалу дії в м’язових клітинах досягає 110 мілівольт, а тривалість складає до 5 мс. Амплітуда потенціалу дії серцевого м’яза до 100 мілівольт, а тривалість складає до 500 мс. ПД серцевого м’язу має особливу форму. На рис. 2 пунктирною лінією позначений ПД нервового волокна (крива I). Суцільними лініями зображені зміни провідності мембрани для потенціалобразующіх іонів (криві II і III).  Рис.2 2.1. Яка з представлених кривих відображає зміну провідності мембрани для іонів калію, для іонів натрію. І крива проникність мембрани для ионів натрію, ІІІ крива – для іонів калію. 2.2. Зробіть висновок про іонному механізмі фаз деполяризації і реполяризації мембрани під час ПД. Концентрація іонів натрію в середовищі, що оточує клітину, значно перевершує їх концентрацію в цитоплазмі, а мембранний потенціал спокою від'ємний. Тому при підвищенні натрієвої проникності мембрани як концентраційний, так і електричний градієнти сприяють тому, що потік натрію спрямовується всередину клітини шляхом дифузії і викликає її деполяризацію. Наступним етапом є підвищення калієвої проникності плазматичної мембрани в порівнянні зі станом спокою. Внаслідок цього іони калію дифундують у напрямку зменшень свого електрохімічного потенціалу, тобто з клітки в навколишнє середовище. В результаті мембранний потенціал повертається до іонної величиною (реполяризації мембрани). 3. На рис. 3 наведені схематичні зображення деяких калієвих і натрієвих каналів мембрани в спокої і при деполяризації мембрани 3.1.Укажіте, який з малюнків показує можливі стани натрієвих каналів, перерахуйте і охарактеризуйте ці стани, вкажіть відповідні фази потенціалу дії.  Рис.3 Натрієві канали збудливих клітин мають двоє воріт: активаційні і інактиваційні. Коли мембранний потенціал клітини відповідає потенціалу спокою, ймовірність відкритого стану натрієвих каналів мала. Їх активаційні ворота знаходяться в закритому стані. Інактіваційні ворота, навпаки, відкриті. Якщо мембрани піддається деполяризації, збільшується ймовірність переходу активаційних воріт натрієвих каналів у відкритий стан. Коли процес деполяризації досягає максимального розвитку, закриваються інактіваційні ворота, припиняючи подальше надходження натрію в клітку. 3.2.Чем калієві канали нервового волокна відрізняються від натрієвих? Від чого залежить стан цих каналів? Ворота калієвих каналів також відкриваються під впливом деполяризації мембрани. На відміну від воріт натрієвих каналів максимальне відкривання калієвих каналів відбувається при значній деполяризації мембрани, коли натрієві канали вже виявляються закритими в результаті своєї інактивації. 4. Розгляньте мал. 4 і дайте відповідь на питання:  Рис.4 4.1. Покажіте на малюнку збуджений ділянку нервового волокна, вкажіть стрілочками, в якому напрямку можливе поширення ПД. 4.2. Чому нервове волокно володіє здатністю до двостороннього, але не зворотного проведення ПД? 5. На рис. 5 зображено проведення нервового імпульсу по двом типам волокон. 5.1. Укажіте ці типи волокон. Назвіть основні відмінності в їх будові. А). немієлізоване волокно, Б). мієлізоване волокно 5.2. По яким волокнам ПД поширюється швидше, поясніть свою відповідь. Нервові волокна, які при порівняно невеликому радіусі забезпечують високу швидкість проведення збудження. Більша частина поверхні їх мембрани покрита жироподібні речовиною - мієліном, який виробляється спеціальними клітинами. Залишаються непокритими лише окремі ділянки, так звані перехоплення. Мієлін є ізолятором, через який не проходять силові лінії місцевих струмів. Це дає потенціалу дії можливість як би перескакувати від одного перехоплення на інший. У результаті швидкість його розповсюдження збільшується в багато разів.  Рис.5 III. Виконання практичної роботи 30 хв. Варіант 1 1. Вимірювання потенціалу спокою і потенціалу дії гігантського нервового волокна кальмара Всередину гігантського нервового волокна ввели мікроелектрод. Він реєструє величину мембранного потенціалу спокою, яка визначається по відхиленню променя осцилографа від нульової лінії. При подразненні волокна в ньому виникає потенціал дії, який зображений на рис.1. Для вимірювання параметрів потенціалу спокою і потенціалу дії записаний калібрувальний сигнал, амплітуда якого дорівнює 50мВ, а тривалість 1 мс. |