Учебнометодическое пособие Физиология возбудимых систем Часть 1 Казань 2012 удк 612. 813
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
Глава 2 Потенциал покоя Мембранный потенциал покоя это результат разделения зарядов относительно клеточной мембраны. При этом положительные заряды концентрируется на наружной поверхности мембраны, а отрицательные заряды - на внутренней поверхности Мембранно- ионную теорию происхождения мембранного потенциала покоя предложил Юлиус Бернштейн, ученик Дюбуа-Реймона, в начале прошлого века (1902 г). Мембранный потенциал покоя широко колеблется в различных клетках (от -5 до -100 мВ). Наибольшие значения мембранного потенциала покоя зарегистрированы в возбудимых клетках - нервных, мышечных и секреторных, в которых его величина составляет от -60 до -90 мВ. Формирование мембранного потенциала происходит в результате движения ионов по концентрационному градиенту через каналы, открывающиеся в покое. Возникновение мембранного потенциала является пассивным процессом, который не требует затрат энергии. Однако, энергия нужна на этапе создания градиента концентрации для ионов при работе транспортных систем. В различных живых клетках мембранного потенциала покоя формируется по-разному. В глиальных клетках в его формировании принимают участие только ионы K, которые двигаются через K-каналы утечки. В большинстве нервных клеток мембранный потенциал возникает при движении ионов K и Na. Очень редко в формировании мембранного потенциала покоя принимают участие и ионы Cl. В глиальных клетках в состоянии покоя открыты только K-каналы утечки. В этом случае, ионы K двигаются благодаря химической движущей силе из цитоплазмы в окружающую среду и концентрируются около наружной поверхности мембраны, формируя положительный заряд. Внутри отрицательный заряд формируется вследствие потери клеткой ионов K, за счет внутриклеточных органических анионов, непроникающих через мембрану, и за счет приближения ионов Cl к внутренней поверхности мембраны. Как только сформировался заряд на мембране, появляется электрическая движущая сила, заставляющая ионы K входить внутрь 14 клетки. В конце концов, устанавливается равновесие этих сил, и ток ионов K через каналы прекращается. Возникающий мембранный потенциал будет соответствовать калиевому равновесному потенциалу (примерно -80 мВ). K-ток через мембрану можно представить следующим образом: I K =g K (V m -E K ), где V m – мембранный потенциал, g K – проводимость мембраны для ионов K (сумма проводимостей всех открытых K-каналов), E K – равновесный потенциал для иона K. Поскольку в условиях равновесия K-ток равен нулю, то V m =E K В нервных клетках в состоянии покоя мембрана хорошо проницаема для K и в небольшой степени – для Na, поэтому в формирование мембранного потенциала покоя оказывают вклад ионы Na. Поскольку на мембране имеется значительный концентрационный градиент для ионов Na и уже существует разность потенциалов, возникают химическая и электрическая движущие силы направленные внутрь, заставляющие ионы Na входить в клетку, то есть появляется входящий Na-ток через открытые Na-каналы. В результате через мембрану начинают течь два разнонаправленных тока – входящий, деполяризующий, натриевый I Na =g Na (V m -E Na ) и выходящий, гиперполяризующий, калиевый I K =g K (V m -E K ), где g K и g Na - проводимости мембраны для ионов K и Na, E Na и E K – равновесные потенциалы для иона K и Na. В конечном итоге, возникнет равновесие, когда эти два тока становятся равны и противоположны по направлению I K = - I Na . При этом установится новое значение мембранного потенциала покоя (V m ) на более низком уровне: V= g K ⋅ E K +g Na ⋅ E Na g K +g Na Отсюда, в нервных клетках, по сравнению с глиальными, мембранный потенциал покоя несколько ниже (примерно, -60 мВ) и меньше калиевого равновесного потенциала. Роль ионов Cl в формировании мембранного потенциала покоя неоднозначна в различных клетках. В большинстве клеток ионы хлора пассивно распределяются по обе стороны мембраны, токи через Cl- каналы в покое отсутствуют, а имеющийся мембранный потенциал равен потенциалу равновесия для хлора. Если же ионы Cl активно транспортируются из клетки, то появление Cl-тока через потенциал- активируемые Cl-каналы делает мембранный потенциал покоя более негативным: V m = g K ⋅ E K +g Na ⋅ E Na +g Cl ⋅ E Cl g K +g Na +g Cl Кроме этого, в величину мембранного потенциала покоя вносит свой вклад Na/K насос. Насос является электрогенным, так как при 15 каждом цикле работы насоса три иона Na выводятся из клетки и два иона K поступают в клетку. Клетка постоянно теряет положительные заряды и разность потенциалов на мембране увеличивается на 6-12 мВ. Итак, мембранный потенциал покоя представляет собой разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки. Он является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны, которое возникает за счет движения заряженных ионов по концентрационным градиентам через ионные каналы, открывающиеся в покое. Наличие потенциала на мембране возбудимой клетки лежит в основе механизмов возникновения в ней электрических распространяющихся сигналов – ПД. Лабораторная работа № 4 Зависимость величины потенциала покоя мышцы лягушки от точки приложения электродов к поперечному разрезу и продольной поверхности. Цель: определить величину потенциала покоя мышцы и продемонстрировать, что когда используется прибор, работающий по току, изменение сопротивления между отводимыми точками самого объекта существенно меняют показания прибора. Для работа необходимо: изолированная икроножная мышца лягушки, гальванометр, препаровальный набор, фильтровальная бумага. Ход эксперимента: На свежем препарате икроножная мышца лягушки производят поперечный разрез мышечных волокон и измеряют потенциал покоя мышцы при расположении первого электрода в центре поперечного разреза, второго - на поверхности у края разреза. Далее электрод поверхности отодвигают от разреза на 2 мм и вновь измеряют потенциал покоя, еще раз отодвигают на 2 мм и вновь замеряют потенциал покоя и так до тех пор, пока два последних замера не дадут одинаковый результат (15-20 мм). Установив электрод поверхности в точке наибольшего потенциала, а электрод разреза — в центре последнего вновь определяют потенциал покоя. Затем электрод разреза перемещают к краю шагом по 2 мм. Все измерения производятся как можно быстрее, одно за другим. Оформление результатов Полученные результаты фиксируются в протоколе. По ним следует построить два графика: график зависимости потенциала покоя от перемещения электрода поверхности, и график изменения потенциал покоя при перемещении электрода разреза. 16 Лабораторная работа №5. Потенциал покоя мышцы лягушки, изменение во времени, явление освежевания разреза Цель: определить величину потенциала покоя скелетной мышцы лягушки и наблюдать постепенное падение его в результате отмирания поврежденных мышечных волокон. Неполное восстановление исходного потенциала покоя при освежении разреза свидетельствует об ухудшении функционального состояния и неповрежденных ранее волокон изолированной мышцы. Для работа необходимо: изолированная икроножная мышца лягушки, гальванометр, препаровальный набор, фильтровальная бумага. Ход работы 1. Первое измерение потенциал покоя производится тотчас по нанесении поперечного разреза мышце, затем измерения повторяют через каждые 10 минут в течение 30-60 мин. Отметив существенное снижение потенциала покоя, делают новый разрез мышцы на расстоянии 1-2 мм от первого в плоскости ему параллельной. Тотчас вновь замеряют потенциал покоя и далее, через каждые 10 минут до отчетливого снижения величины потенциала. 2 Ход эксперимента фиксируют в протоколе, где отмечают время измерения потенциал покоя (часы, минуты), величину потенциал покоя (с точностью до 0.1 мВ), все произведенные в ходе работы манипуляции — увлажнение препарата, освежение разреза, устранение неполадок и т. д. Оформление результатов Результаты опыта выражают в виде графика, где по оси абсцисс откладывается время в минутах, а по оси ординат - величины потенциал покоя в мВ. Лабораторная работа № 6 Влияние ионов калия на потенциал покоя мышцы Цель: определить величину потенциал покоя скелетной мышцы лягушки, исследовать влияние ионов калия на потенциал покоя скелетной мышцы. Для работа необходимо: изолированная икроножная мышца лягушки, гальванометр, препаровальный набор, фильтровальная бумага. Ход работы 17 Первое измерение потенциал покоя производится тотчас по нанесении поперечного разреза на мышце, затем измерения повторяют через каждые 5 минут в течении 30 минут. Затем на неповрежденный участок мышцы (под вторым электродом) поместить ватку, смоченную изотоническим раствором хлористого калия. Измерения проводить до тех пор, пока разность потенциалов не упадет до нескольких мВ. Оформление результатов Ход эксперимента фиксируют в протоколе, где отмечают время измерения потенциал покоя (часы, минуты), величину потенциал покоя (с точностью до 0.1 мВ), все произведенные в ходе работы манипуляции — увлажнение препарата, освежение разреза, устранение неполадок и т.д. Результаты опыта выражают в виде графика, где по оси абсцисс откладывается время в минутах, а по оси ординат - величины потенциал покоя в мВ, указать время действия хлористого калия. Лабораторная работа № 7. Потенциал покоя слизистой языка лягушки. Слизистая языка лягушки содержит большое количество одноклеточных желез, одинаково ориентированных по отношению к поверхности. Поэтому имеется довольно значительный потенциал, который отводится или от языка целой кураризированной лягушки или от языка изолированного вместе с нижней челюстью, почти полностью может быть отнесен именно за счет железистых клеток, что и демонстрирует данный опыт. Цель: Регистрация разности потенциалов с поверхности языка лягушки. Для работа необходимо: неповрежденный язык лягушки, фиксированный на стеклянной пластинке, гальванометр, препаровальный набор, фильтровальная бумага, раствор Рингера, дистиллированная вода, концентрированный раствор хлорида натрия 2%, лед. Ход эксперимента: Прежде всего, убедитесь, что наружняя поверхность языка электроотрицательна по отношению к нижней челюсти. Затем замерить величину потенциала, которая может составлять 50-100 мВ. Положив на язык рядом с отводящим электродом кусок льда, убедитесь, что потенциал не только падает, но и может сменить знак. Исследуйте влияние дистиллированной воды и концентрированных растворов солей (NaCl 2%) на исходный потенциал. Все эти измерения обратимы и могут быть 18 продемонстрированы на одном препарате. Оформление результатов: Занести полученные результаты в таблицу № 4 и сделать выводы. Таблица 4 Условия эксперимента Величина потенциал языка лягушки Измерение №1 №2 №3 Без воздействий Воздействие холода Влияние дистиллированной воды Влияние концентрированного раствора NaCl Лабораторная работа № 8 Измерение мембранного потенциала диафрагмальной мышцы мыши. Цель: с помощью микроэлектродного метода измерить мембранный потенциал мышцы. Для работа необходимо: диафрагмальная мышца мыши, электрофизиологическая установка, раствор Кребса для теплокровных животных, 2М KCl, стеклянные микроэлектроды, ванночка. Ход работы: 1. Приготовить раствор Кребса для теплокровных, перфузировать карбогеном 20 мин, затем рН раствора довести до значений 7.3-7.4. 2. Приготовить препарат диафрагмальном мышцы мыши. Расположить препарат в стеклянной ванночке, растянув на 110-115 % от начальной длины. 3. Установить ванночку с препаратом в установке, закрепить заземляющий электрод. 4. Заполнить регистрирующий электрод 2М КCl, установить его в манипуляторе и опустить в омывающий раствор. Включить усилитель и предусилитель. К регистрирующему электроду дополнительно подключить вольтметр. 19 5. Подвести регистрирующий электрод к поверхности мышцы под микроскопом. В момент прокола мембраны зарегистрировать изменение мембранного потенциала на вольтметре, затем наблюдения повторяют через каждые 5 минут в течение 30 минут. 6. Через 30 минут электрод перемещают в другую часть мышцы, замеряют мембранный потенциал и добавляют в перфузионный раствор 2 мл концентрированного раствора хлористого калия, наблюдают изменения мембранного потенциала. Оформление результатов: Ход эксперимента фиксируют в протоколе, где отмечают время измерения потенциал покоя (часы, минуты), величину потенциал покоя (с точностью до 0.1 мВ), все произведенные в ходе работы манипуляции. Результаты опыта выражают в виде графика, где по оси абсцисс откладывается время в минутах, а по оси ординат - величины потенциал покоя в мВ, указать время действия хлористого калия. Контрольные вопросы 1. Назовите непосредственную причину наличия потенциала покоя, cледствием чего она является? 2. Что называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя)? Какова его величина? 3. Нарисуйте схему (график) мембранного потенциала покоя возбудимой клетки. 4. Где преимущественно находятся (в межклеточной жидкости или в цитоплазме) ионы натрия, калия и хлора? Положительно или отрицательно заряжены внутренняя и наружная среды клетки относительно друг друга? 5. Напишите уравнение Нернста, по которому можно рассчитать величину равновесного потенциала для отдельных ионов. 6.Что такое калиевый равновесный потенциал? 7.Что является источником энергии для работы ионных насосов? За счет каких двух путей этот источник энергии восстанавливается? 8.Опишите структурно-функциональную организацию ионного потенциало-зависимого канала. 9.Как экспериментально доказать существование различных типов ионных каналов? 10.Приведите классификацию ионных каналов. Глава 3 Потенциал действия 20 Потенциал действия(ПД) – универсальный, высокоамплитудный, быстро распространяющийся по мембране нервной клетки сигнал, обеспечивающий передачу информации в центральной и периферической нервной системе (от рецептора к телу нейрона, от нейрона к нейрону или от нейрона к мышечной или секреторной клетке). ПД возникают в мышечных клетках (поперечно-полосатые, гладкомышечные клетки и кардиомиоциты), где обеспечивают связь возбуждения и сокращения, а также в некоторых ненейрональных клетках. ПД представляет собой быстрое колебание мембранного потенциала клетки в ответ на раздражение, сопровождающееся изменением знака заряда на мембране и возникающее в результате открытия потенциал-активируемых ионных каналов и появления трансмембранных ионных токов. На рис. 2 представлен ПД нервной клетки, зарегистрированный с помощью внутриклеточного электрода. При малых толчках раздражающего тока, возникают пассивные деполяризационные изменения мембранного потенциала (МП) - электротонические потенциалы, амплитуда которых зависит от силы раздражения. Когда сила раздражения достигает пороговой величины, в клетке возникает быстрое кратковременное и значительное по величине колебание МП, которое и является ПД. Уменьшение МП носит название фазы деполяризации ПД, а возвращение МП к исходному состоянию - фазы реполяризации. Кратковременная перезарядка мембраны носит название – овершут, при этом МП достигает положительных значений (+50 мВ). Иногда в конце ПД наблюдаются следовые деполяризационные или гиперполяризационные потенциалы. Фаза деполяризации ПД формируется за счет быстро развивающего входящего Na-тока, который быстро инактивируется. Фаза реполяризации обеспечивается медленно нарастающим выходящим K-током. 21 Рисунок 2. Потенциал действия ПД можно зарегистрировать, внутриклеточное отведение. При этом один внутриклеточный отводящий микроэлектрод регистрирует мембранный потенциал (-70 мВ). Другой внутриклеточный микроэлектрод служит для раздражения постепенно нарастающими по силе толчками тока (показаны внизу). При слабых толчках раздражающего тока (тонкие линии) регистрируются небольшие деполяризационные электротонические потенциалы. Если амплитуда электротонического потенциала достигает определенной величины (порогового потенциала), а величина деполяризации критического уровня деполяризации в клетке возникает быстрое колебание мембранного - ПД. Подробнее в тексте. Двойными стрелками показаны исходные значения порогового потенциала и его изменения во время следовой деполяризации и гиперполяризации. Естественно, вход ионов Na и выход ионов K во время ПД приводит к изменению концентрации этих ионов в цитоплазме (концентрация ионов K уменьшается, а ионов Na - возрастает). Расчеты показали, что величина этих изменений зависит от размеров клетки и составляет от тысячных до десятых долей процента В тоже время, повышение внутриклеточной концентрации ионов Na увеличивает активность Na/K насоса так, что внутриклеточные концентрации ионов быстро возвращаются к начальному уровню. Инактивация Na-каналов во время ПД приводит к развитию рефрактерности - невозбудимости клетки. Поэтому во время ПД клетка теряет способность возбуждаться 22 в течение всей фазы деполяризации и части фазы реполяризации - состояние абсолютной рефрактерности. Постепенно Na-каналы выходят из состояния инактивации, и возбудимость нервной клетки медленно восстанавливается. Но для того, чтобы возбудить клетку в этот период, необходима более значительная, чем в норме сила раздражения. Этот период времени носит название |