Мембранний потенціал спокою. Потенціал спокою клітини

"Мембранний потенціал"

Виконала Четверікова Р

Студентка 1 курсу

біолого-ґрунтового факультету

Вступ

Трішки історії

Електрика в клітці

Мембранний потенціал

Потенціал дії

Поріг роздратування

Характерні властивості потенціалу дії

Висновок

Вступ

Сучасна наука розвивається стрімко, і що більше ми рухаємося шляхом прогресу, то більше переконуємося у цьому, що з вирішення будь-яких наукових завдань необхідно об'єднувати зусилля і досягнення відразу кількох галузей науки.

Раніше панувала концепція віталізму, згідно з якими біологічні явища принципово незбагненні на основі фізики та хімії, оскільки існує якась «життєва сила», або ентелехія, що не підлягають фізичному тлумаченню. У 20 столітті великий фізик Бор розглядав проблему взаємини біології та фізики з урахуванням концепції додатковості, окремим випадком якої є принцип невизначеності квантової механіки.

Бор вважав, що жоден результат біологічного дослідження може бути однозначно описаний інакше як з урахуванням понять фізики і хімії. Розвиток молекулярної біології призвело до атомістичного тлумачення основних явищ життя - таких як спадковість та мінливість. Останні десятиліття успішно розвивається і фізична теорія цілісних біологічних систем, заснована на ідеях синергетики. Ервін Шредінгер дійшов оптимістичного, хоч і не цілком заспокійливого висновку: «Хоча сучасні фізика та хімія не можуть пояснити процеси, що відбуваються в живому організмі, немає жодних підстав сумніватися у можливості їхнього наукового пояснення». Сьогодні є підстави стверджувати, що сучасна фізика не зустрічається з межами своєї застосовності до розгляду біологічних явищ. Важко думати, що такі межі виявляться у майбутньому.

Навпаки, розвиток біофізики як частини сучасної фізики свідчить про її необмежені можливості.

У цьому прикладі можна наочно простежити, як досягнення фізики допомогли вченим зрозуміти таке складне явище.

Трішки історії

Електрику в живих організмів людина виявив ще в давнину. Точніше, відчув, не підозрюючи при цьому про його існування. Цього поняття тоді не було. Наприклад, стародавні греки остерігалися зустрічатися у воді з рибою, яка, як писав великий вчений Аристотель, "примушує ціпеніти тварин". Риба, що наводила страх на людей, була електричним схилом і носила ім'я "торпедо". І лише двісті років тому вчені зрозуміли нарешті природу цього явища.

Вчені давно хотіли зрозуміти, яка ж природа сигналів, що перетікають по нервах. Серед безлічі теорій виникали в середині XVIII століття, під впливом загальної захопленості електрикою, з'явилася теорія про те, що по нервах передається "електричний флюїд".

Ідея літала у повітрі. Луїджі Гальвані, вивчаючи грозові розряди, використовував нервово-м'язовий препарат жаби. Підвісивши його на мідному гачку на огорожі балкона, Гальвані помітив, що коли лапки жаби торкалися залізної огорожі, відбувалося м'язове скорочення. З цього Гальвані робить висновок, що у біологічному об'єкті існує електричний сигнал. Однак сучасник Гальвані - Алессандро Вольта виключив біологічний об'єкт і показав, що електричний струм може бути отриманий при контакті набору металів, розділених електролітом (вольтів стовп). Так було відкрито хімічне джерело струму (назване, проте пізніше, на честь його наукового супротивника гальванічним елементом).

Ця суперечка була початком електробіології. І ось через півстоліття німецький фізіолог Е. Дюбуа-Реймон підтвердив відкриття Гальвані, продемонструвавши наявність електричних полів у нервах за допомогою вдосконаленої електровимірювальної апаратури. Відповідь на питання, як з'являється електрика в клітці, було знайдено ще через півстоліття.

Електрика в клітці

В 1890 Вільгельм Оствальд, який займався напівпроникними штучними плівками припустив, що напівпроникність може бути причиною не тільки осмосу, але і електричних явищ. Осмос виникає тоді, коли мембрана вибірково проникна, тобто. пропускає одні частинки та не пропускає інші. Найчастіше проникаємо мембрани залежить від розміру частинки. Такими частками можуть бути і іони. Тоді мембрана пропускатиме іони лише одного знака, наприклад, позитивного. Дійсно, якщо подивитися на формулу Нернста для дифузійного потенціалу Vд, що виникає на межі двох розчинів з концентраціями електроліту С1 і С2:

де u - швидкість швидшого іона, v - швидкість повільнішого іона, R - універсальна газова постійна, F - число Фарадея, T - температура, і припустити, що мембрана для аніонів не проникна, тобто v = 0, то можна бачити, що мають з'являтися великі значення для Vд

(2)

Потенціал на мембрані, що розділяє два розчини

Таким чином, Оствальд об'єднав формулу Нернста та знання про напівпроникні мембрани. Він припустив, що властивостями такої мембрани пояснюються потенціали м'язів та нервів та дія електричних органів риб.

Мембранний потенціал (потенціал спокою)

Під мембранним потенціалом розуміють різницю потенціалів між внутрішньою (цитоплазматичною) та зовнішньою поверхнями мембрани

За допомогою електрофізіологічних досліджень було доведено, що в стані фізіологічного спокою на зовнішній поверхні мембрани є позитивний заряд, а на внутрішній поверхні - негативний.

Юліус Бернштейн створив теорію, згідно з якою різноіменність зарядів визначається різною концентрацією іонів натрію, калію, хлору всередині та за межами клітини. Усередині клітини в 30-50 разів вище концентрація іонів калію, в 8-10 разів нижче концентрація іонів натрію і в 50 разів менше іонів хлору. Відповідно до законів фізики, якби жива система не регулювалася, то концентрація цих іонів зрівнялася б з обох боків мембрани та мембранний потенціал би зникав. Але цього немає, т.к. мембрана клітини – це активна транспортна система. У мембрані є спеціальні канали для того чи іншого іону, кожен канал специфічний і транспорт іонів усередині та за межі клітини є значною мірою активним. У стані відносного фізіологічного спокою натрієві канали закриті, а калієві та хлорні – відкриті. Це призводить до того, що калій виходить із клітини, а хлор заходить у клітину, внаслідок цього збільшується кількість позитивних зарядів на поверхні клітини та зменшується кількість зарядів усередині клітини. Таким чином, на поверхні клітини зберігається позитивний заряд, а всередині негативний. Такий розподіл електронних набоїв забезпечує збереження мембранного потенціалу.

молекулярний біологія мембрана потенціал

Потенціал дії

Це призводить до того, що на внутрішній поверхні мембрани накопичуються позитивні заряди, а на зовнішній – негативні заряди. Такий перерозподіл зарядів називається деполяризацією.

У цьому вся стані клітинна мембрана існує недовго (0,1-5 м.с.). А, щоб клітина знову стала здатною збудження, її мембрана повинна реполяризуватися, тобто. повернутися до стану потенціалу спокою. Для повернення клітини до мембранного потенціалу необхідно «відкачати» катіони натрію та калію проти градієнта концентрації. Таку роботу виконує натрієво-гарячий насос, який відновлює вихідний стан концентрації катіонів натрію та калію, тобто. відновлюється мембранний потенціал.

Поріг роздратування

Для виникнення деполяризації та подальшого збудження подразник повинен мати певну величину. Мінімальна сила подразника, що діє, здатного викликати збудження, називається порогом подразнення. Величина вище порогової називається надпорогової, а нижче порогової - підпорогової. Збудливі освіти підпорядковуються закону «усі чи нічого», це означає, що з роздратування за силою, рівної порогової, виникає максимальне збудження. Роздратування нижче підпорогової сили не викликає роздратування.

Для характеристики сили подразника, що діє, від часу його дії, виводять криву, яка відображає, скільки часу повинен діяти пороговий або надпороговий подразник, щоб викликати збудження. Дія подразника порогової сили викликає порушення тільки в тому випадку, якщо даний подразник діятиме певний час. Мінімальна сила струму або збудження, які повинні діяти на збудливу освіту, щоб викликати роздратування називається реобазою. Мінімальний час, протягом якого має діяти подразник силою однієї реобази, щоб викликати збудження називається мінімальним корисним часом.

Величина порога роздратування залежить тільки від тривалості діючого стимулу, а й від крутості наростання. При зменшенні крутості наростання подразника нижче певної величини, збудження немає, до якої сили ми довели подразник. Це відбувається тому, що в місці нанесення подразника постійно підвищується поріг, і до якої величини не довели б подразник, порушення не виникає. Таке явище-пристосування збудливої ​​освіти до сили, що повільно наростає, подразника називається акомодацією.

Різні збудливі утворення мають різну швидкість акомодації, тому чим вища швидкість акомодації, тим крутіша наростання подразника вища.

Цей закон працює не тільки для електростимуляторів, але і для інших (хімічних, механічних подразників/стимуляторів).

Характерні властивості потенціалу дії

Полярний закон роздратування.

Цей закон вперше було відкрито П.Ф. Флюгер. Він встановив, що постійний струм має полярну дію на збудливу тканину. Це виявляється у тому, що у момент замикання ланцюга, збудження виникає лише під катодом, а момент розмикання - під анодом. Причому під анодом при розмиканні ланцюга збудження значно вище, ніж при замиканні під катодом. Це пов'язано з тим, що позитивно заряджений електрод (анод) викликає гіперполяризацію мембрани, коли поверхні стосуються катода(негативно зарядженого), він викликає деполяризацію.

Закон «все, чи нічого»

Відповідно до цього закону, подразник підпорогової сили не викликає порушення (нічого); при пороговому подразненні збудження приймає максимальну величину (все). Подальше збільшення сили подразника не посилює збудження.

Довгий час вважали, що цей закон є загальним принципом збудливої ​​тканини. У цьому вважали, що «нічого» - повна відсутність збудження, а «все», - це прояв прояви збудливого освіти, тобто. його здатність до збудження.

Однак, за допомогою мікроелектронних досліджень було доведено, що навіть при дії подпорогового подразника у збуджуваній освіті відбувається перерозподіл іонів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани. Якщо за допомогою фармакологічного препарату підвищити проникність мембрани для іонів натрію або знизити проникність іонів калію, то амплітуда потенціалів дії підвищується. Таким чином, можна зробити висновок, що цей закон повинен розглядатися лише, як правило, що характеризує особливості збудливої ​​освіти.

Проведення збудження. Збудливість.

У демієлінізованих та мієлінезованих волокнах збудження передається по-різному, це обумовлено анатомічними особливостями даних волокон. Мієлінізовані нервові волокна мають перехоплення Ранв'є. Передача сигналів через такі волокна здійснюється за допомогою перехоплень Ранв'є. Сигнал проскакує через мієлінізовані ділянки, і тим самим проведення збудження по них відбувається швидше, ніж у немієлінізованих ділянках, повернення імпульсу назад неможливе, оскільки в попередньому перехопленні підвищується поріг подразнень.

Збудливість - це здатність такні на роздратування або збудження і, отже, виникнення потенціалу дії. Чим поріг роздратування вищий, тим збудження вище, і навпаки.

Величина порога подразнення знаходиться у зворотній залежності від тривалості (t) дії стимулу та крутості наростання його сили

Таким чином, ми бачимо, що без допомоги фізики не вдалося б відкрити таємницю електрики в живих організмах, передачі нервових імпульсів, мембранний потенціал - одні з найважливіших аспектів сучасної біології.

Мембранним потенціалом спокою (МПП) або потенціалом спокою (ПП) називають різницю потенціалів клітини, що спокою, між внутрішньою і зовнішньою сторонами мембрани. Внутрішня сторона мембрани клітини заряджена негативно по відношенню до зовнішньої. Приймаючи потенціал зовнішнього розчину за нуль, МПП записують зі знаком мінус. Величина МППзалежить від виду тканини та варіює від -9 до -100 мв. Отже, у стані спокою клітинна мембрана поляризована.Зменшення величини МПП називають деполяризацією,збільшення - гіперполяризацією,відновлення вихідного значення МПП-реполяризацієюмембрани.

Основні положення мембранної теорії походження МППзводяться до наступного. У стані спокою клітинна мембрана добре проникна для іонів К+ (у ряді клітин та для СГ), менш проникна для Na+ та практично непроникна для внутрішньоклітинних білків та інших органічних іонів. Іони К + дифундують з клітини за концентраційним градієнтом, а непроникні аніони залишаються в цитоплазмі, забезпечуючи появу різниці потенціалів через мембрану.

Різниця потенціалів, що виникає, перешкоджає виходу К+ з клітини і при деякому її значенні настає рівновага між виходом К+ по концентраційному градієнту і входом цих катіонів по електричному градієнту, що виник. Мембранний потенціал, при якому досягається ця рівновага, називається рівноважний потенціал.Його величина може бути розрахована з рівняння Нернста:

10 У нервових волокнах сигнали передаються за допомогою потенціалів дії, які є швидкими змінами мембранного потенціалу, що швидко поширюються вздовж мембрани нервового волокна. Кожен потенціал дії починається зі стрімкого зсуву потенціалу спокою від нормального негативного значення до позитивної величини, потім він так само швидко повертається до негативного потенціалу. При проведенні нервового сигналу потенціал дії рухається вздовж нервового волокна аж до закінчення. На малюнку показані зміни, що виникають на мембрані під час потенціалу дії, з перенесенням позитивних зарядів усередину волокна спочатку та поверненням позитивних зарядів назовні в кінці. У нижній частині малюнка графічно представлені послідовні зміни мембранного потенціалу протягом кількох 1/10000 с, що ілюструють вибуховий початок потенціалу дії і майже так само швидке відновлення. Стадія спокою. Ця стадія представлена ​​мембранним потенціалом спокою, який передує потенціалу дії. Мембрана під час цієї стадії поляризована у зв'язку з наявністю негативного мембранного потенціалу, що дорівнює -90 мВ. Фаза деполяризації. У цей час мембрана раптово стає високопроникною для іонів натрію, дозволяючи величезній кількості позитивно заряджених іонів натрію дифундувати всередину аксона. Нормальний поляризований стан -90 мВ негайно нейтралізується вступниками всередину позитивно зарядженими іонами натрію, в результаті потенціал стрімко наростає в позитивному напрямку. Цей процес називають деполяризацією, У великих нервових волокнах значний надлишок позитивних іонів натрію, що входять всередину, зазвичай призводить до того, що мембранний потенціал «проскакує» за межі нульового рівня, стаючи злегка позитивним. У деяких дрібніших волокнах, як і більшості нейронів центральної нервової системи, потенціал досягає нульового рівня, не «перескакуючи» його. Фаза реполяризації. Протягом кількох часток мілісекунди після різкого підвищення проникності мембрани для іонів натрію, натрієві канали починають закриватися, а калієві – відкриватися. Внаслідок цього швидка дифузія іонів калію назовні відновлює нормальний негативний мембранний потенціал спокою. Цей процес називають реполяризацією мембрани. потенціал дії Для більш повного розуміння факторів, що є причиною деполяризації та реполяризації, необхідно вивчити особливості двох інших типів транспортних каналів у мембрані нервового волокна: електрокерованих натрієвих та калієвих каналів. Натрієві та калієві канали. Необхідним учасником процесів деполяризації та реполяризації під час розвитку потенціалу дії у мембрані нервового волокна є електрокерований натрієвий канал. Електрокерований калієвий канал відіграє також важливу роль у збільшенні швидкості реполяризації мембрани. Обидва типи електрокерованих каналів існують додатково до Na+/K+-насосу та каналів К*/Na+-витік. Електрокерований натрієвий канал. У верхній частині малюнка показаний електрокерований натрієвий канал у трьох різних станах. Цей канал має дві брами: одні поблизу зовнішньої частини каналу, які називають активаційними воротами, інші - у внутрішній частині каналу, які називають інактиваційними воротами. У верхній лівій частині малюнка зображено стан цих воріт у спокої, коли мембранний потенціал спокою дорівнює -90 мВ. У цих умовах активаційні ворота закриті та перешкоджають надходженню іонів натрію всередину волокна. Активація каналу натрію. Коли мембранний потенціал спокою зміщується в напрямку менш негативних значень, піднімаючись від -90 мВ у бік нуля, на певному рівні (зазвичай між -70 і -50 мВ) відбувається раптова конформаційна зміна активаційних воріт, в результаті вони переходять у повністю відкритий стан . Цей стан називають активованим станом каналу, за якого іони натрію можуть вільно входити через нього всередину волокна; при цьому натрієва проникність мембрани зростає в діапазоні від 500 до 5000 разів. Інактивація натрієвого каналу. У верхній правій частині малюнку показано третій стан натрієвого каналу. Збільшення потенціалу, що відчиняє активаційні ворота, закриває інактиваційні ворота. Однак інактиваційні ворота закриваються протягом кількох десятих часток мілісекунди після відкриття активаційних воріт. Це означає, що конформаційна зміна, що призводить до закриття інактиваційних воріт, - процес повільніший, ніж конформаційна зміна, що відкриває активаційні ворота. В результаті через кілька десятих часток мілісекунди після відкриття натрієвого каналу інактиваційні ворота закриваються, і іони натрію не можуть проникати всередину волокна. З цього моменту мембранний потенціал починає повертатися рівня спокою, тобто. починається процес реполяризації. Існує інша важлива характеристика процесу інактивації натрієвого каналу: інактиваційні ворота не відкриваються повторно доти, поки мембранний потенціал не повернеться до значення, що дорівнює або близькому до рівня вихідного потенціалу спокою. У зв'язку з цим повторне відкриття натрієвих каналів зазвичай неможливе без попередньої реполяризації нервового волокна.

13Механізм проведення збудження нервовими волокнами залежить від їх типу. Існують два типи нервових волокон: мієлінові та безмієлінові. Процеси метаболізму у безмієлінових волокнах не забезпечують швидку компенсацію витрати енергії. Поширення збудження йтиме з поступовим загасанням – декрементом. Декрементна поведінка збудження характерна для низькоорганізованої нервової системи. Порушення поширюється за рахунок малих кругових струмів, які виникають всередину волокна або в навколишню рідину. Між збудженими та незбудженими ділянками виникає різниця потенціалів, що сприяє виникненню кругових струмів. Струм поширюватиметься від «+» заряду до «-». У місці виходу кругового струму підвищується проникність плазматичної мембрани для іонів Na, внаслідок чого відбувається деполяризація мембрани. Між новозбудженою ділянкою та сусідньою незбудженою знову виникає різниця потенціалів, що призводить до виникнення кругових струмів. Порушення поступово охоплює сусідні ділянки осьового циліндра і поширюється остаточно аксона. У мієлінових волокнах завдяки досконалості метаболізму збудження проходить, не згасаючи, без декременту. За рахунок великого радіусу нервового волокна, обумовленого мієліновою оболонкою, електричний струм може входити і виходити з волокна лише в області перехоплення. При нанесенні роздратування виникає деполяризація у сфері перехоплення А, сусіднє перехоплення У цей час поляризовано. Між перехопленнями виникає різниця потенціалів і з'являються кругові струми. За рахунок кругових струмів збуджуються інші перехоплення, при цьому збудження поширюється сальтаторно, стрибкоподібно від одного перехоплення до іншого. Існує три закони проведення подразнення з нервового волокна. Закон анатомо-фізіологічної цілісності. Проведення імпульсів по нервовому волокну можливе лише в тому випадку, якщо не порушено його цілісність. Закон ізольованого проведення збудження. Існує ряд особливостей поширення збудження в периферичних, м'якотних та безм'якотних нервових волокнах. У периферичних нервових волокнах збудження передається лише вздовж нервового волокна, але не передається на сусідні, які знаходяться в тому самому нервовому стовбурі. У м'якотних нервових волокнах роль ізолятора виконує мієлінова оболонка. За рахунок мієліну збільшується питомий опір та відбувається зменшення електричної ємності оболонки. У безм'якотних нервових волокнах збудження передається ізольовано. Закон двостороннього проведення збудження. Нервове волокно проводить нервові імпульси у двох напрямках – доцентрово і цінно-требіжно.

14 Сінапси – це спеціалізована структура, яка забезпечує передачу нервового імпульсу з нервового волокна на ефекторну клітину – м'язове волокно, нейрон чи секреторну клітину.

Сінапси- Це місця з'єднання нервового відростка (аксона) одного нейрона з тілом або відростком (дендріт, аксоном) іншої нервової клітини (переривчастий контакт між нервовими клітинами).

Усі структури, щоб забезпечити передачу сигналу з однієї нервової структури в іншу – синапси .

Значення- Передає нервові імпульси з одного нейрона на інший => забезпечує передачу збудження по нервовому волокну (поширення сигналу).

Велика кількість синапсів забезпечує велику площу передачі інформації.

Будова синапсу:

1. Пресинаптична мембрана- належить нейрону, від якого передається сигнал.

2. Синаптична щілина, Заповнена рідиною з високим вмістом іонів Са.

3. Постсинаптична мембрана- належить клітинам, на які передається сигнал.

Між нейронами завжди існує перерва, заповнена міжтканинною рідиною.

Залежно від щільності мембран виділяють:

- симетричні(З однаковою щільністю мембран)

- асиметричні(Щільність однієї з мембран вище)

Пресинаптична мембрана покриває розширення аксона нейрона, що передає.

Розширення - синаптичний гудзик/синаптична бляшка.

На бляшці - синаптичні бульбашки (везикуль).

З внутрішньої сторони пресинаптичної мембрани – білкові/гексогональні грати(необхідна для вивільнення медіатора), в якій міститься білок - нейрін . Заповнена синаптичними бульбашками, які містять медіатор- Спеціальна речовина, що бере участь у передачі сигналів.

До складу мембрани бульбашок входить стінін (Білок).

Постсинаптична мембрана покриває ефекторну клітину. Містить білкові молекули, вибірково чутливі до медіатора даного синапсу, що забезпечує взаємодію.

Ці молекули – частина каналів постсинаптичної мембрани + ферменти (багато), здатні руйнувати зв'язок медіатора із рецепторами.

Рецептори постсинаптичної мембрани.

Постсинаптична мембрана містить рецептори, що мають спорідненість з медіатором даного синапсу.

Між ними снаптична щілина . Вона заповнена міжклітинною рідиною, що має велику кількість кальцію. Має ряд структурних особливостей - містить білкові молекули, чутливі до медіатора, що здійснює передачу сигналів.

15 Синаптична затримка проведення збудження

Для того, щоб збудження поширилося рефлекторною дугою витрачається певний час. Цей час складається з наступних періодів:

1. період тимчасово необхідний збудження рецепторів (рецептора) і проведення імпульсів збудження по аферентним волокнам до центру;

2. період часу, необхідний поширення збудження через нервові центри;

3. період часу, необхідний поширення збудження по еферентним волокнам до робочого органа;

4. латентний період робочого органа.

16 Гальмування відіграє важливу роль в обробці інформації, що надходить до ЦНС. Особливо яскраво виражена ця роль пресинаптичного гальмування. Воно точніше регулює процес збудження, оскільки цим гальмуванням можуть бути заблоковані окремі нервові волокна. До одного збудливого нейрона можуть підходити сотні та тисячі імпульсів за різними терміналями. Разом з тим кількість імпульсів, що дійшли до нейрона, визначається пресинаптичним гальмуванням. Гальмування латеральних шляхів забезпечує виділення суттєвих сигналів із фону. Блокада гальмування веде до широкої іррадіації збудження та судом, наприклад, при виключенні пресинаптичного гальмування бікукуліном.

Навіщо нам знати, що таке потенціал спокою?

Що таке "тварина електрика"? Звідки в організмі беруться "біоструми"? Як жива клітина, що у водному середовищі, може перетворитися на " електричну батарейку " ?

На ці питання ми зможемо відповісти, якщо дізнаємось, як клітина за рахунок перерозподілуелектричних зарядів створює собі електричний потенціал на мембрані.

Як працює нервова система? З чого в ній все починається? Звідки у ній береться електрика для нервових імпульсів?

На ці питання ми також зможемо відповісти, якщо дізнаємось, як нервова клітина створює електричний потенціал на мембрані.

Отже, розуміння того, як працює нервова система, починається з того, що треба розібратися, як працює окрема нервова клітина – нейрон.

А в основі роботи нейрона з нервовими імпульсами лежить перерозподілелектричних зарядівна його мембрані та зміна величини електричних потенціалів. Але щоб потенціал змінювати, його потрібно спочатку мати. Тому можна сказати, що нейрон, готуючись до своєї нервової роботи, створює на своїй мембрані електричний потенціаляк можливість для такої роботи.

Таким чином, наш перший крок до вивчення роботи нервової системи - це зрозуміти, яким чином переміщуються електричні заряди на нервових клітинах до як за рахунок цього на мембрані з'являється електричний потенцил. Цим ми і займемося, і назвемо цей процес появи електричного потенціалу у нейронів. формування потенціалу спокою.

Визначення

У нормі, коли клітина готова до роботи, вона вже має електричний заряд на поверхні мембрани. Він називається мембранний потенціал спокою .

Потенціал спокою - це різниця електричних потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани, коли клітина перебуває у стані фізіологічного спокою. Його середня величина становить -70 мВ (мілівольт).

"Потенціал" - це можливість, він схожий на поняття "потенція". Електричний потенціал мембрани - це можливості по переміщенню електричних зарядів, позитивних чи негативних. У ролі зарядів виступають заряджені хімічні частки - іони натрію та калію, а також кальцію та хлору. З них лише іони хлору заряджені негативно (-), інші - позитивно (+).

Таким чином, маючи електричний потенціал, мембрана може переміщати в клітину або клітини зазначені вище заряджені іони.

Важливо розуміти, що у нервовій системі електричні заряди створюються не електронами, як і металевих проводах, а іонами - хімічними частинками, мають електричний заряд. Електричний струм в організмі та його клітинах – це потік іонів, а не електронів, як у проводах. Зверніть увагу на те, що заряд мембрани вимірюється зсерединиклітини, а чи не зовні.

Якщо говорити дуже примітивно просто, то виходить, що зовні навколо клітини переважатимуть " плюсики " , тобто. позитивно заряджені іони, а всередині – "мінусики", тобто. негативно заряджені іони. Можна сказати, що всередині клітина електронегативна . І тепер нам лише треба пояснити, як це так вийшло. Хоча, звісно, ​​неприємно усвідомлювати, що це наші клітини - негативні " персонажі " . ((

Сутність

Сутність потенціалу спокою - це переважання на внутрішній стороні мембрани негативних електричних зарядів у вигляді аніонів і недолік позитивних електричних зарядів у вигляді катіонів, які зосереджуються на зовнішній стороні, а не на внутрішній.

Усередині клітини - "негативність", а зовні - "позитивність".

Такий стан речей досягається за допомогою трьох явищ: (1) поведінки мембрани, (2) поведінки позитивних іонів калію та натрію та (3) співвідношення хімічної та електричної сили.

1. Поведінка мембрани

У поведінці мембрани для потенціалу спокою важливі три процеси:

1) Обмін внутрішніх іонів натрію на зовнішні іони калію Обміном займаються спеціальні транспортні структури мембрани: іонні насоси-обмінники. У такий спосіб мембрана перенасичує клітину калієм, але збіднює натрієм.

2) Відкриті калієві іонні канали. Через них калій може як заходити у клітку, і виходити з неї. Він виходить здебільшого.

3) Закриті натрієві іонні канали. Через це натрій, виведений із клітини насосами-обмінниками, неспроможна повернутися до неї назад. Натрієві канали відкриваються лише за особливих умов - і тоді потенціал спокою порушується і зміщується у бік нуля (це називається деполяризацієюмембрани, тобто. зменшенням полярності).

2. Поведінка іонів калію та натрію

Іони калію та натрію по-різному переміщуються через мембрану:

1) Через іонні насоси-обмінники натрій виводиться насильно з клітини, а калій затягується в клітину .

2) Через постійно відкриті калієві канали калій виходить з клітини, але може і повертатися до неї назад через них.

3) Натрій " хоче " ввійти у клітину, але " неспроможна " , т.к. канали йому закриті.

3. Співвідношення хімічної та електричної сили

По відношенню до іонів калію між хімічною та електричною силою встановлюється рівновага на рівні – 70 мВ.

1) Хімічна сила виштовхує калій із клітини, але прагне затягнути до неї натрій.

2) Електрична сила прагне затягнути у клітину позитивно заряджені іони (як натрій, і калій).

Формування потенціалу спокою

Спробую розповісти коротко, звідки береться мембранний потенціал спокою у нервових клітинах – нейронах. Адже, як усім тепер відомо, наші клітини тільки зовні позитивні, а всередині вони дуже негативні, і в них є надлишок негативних частинок – аніонів та нестача позитивних частинок – катіонів.

І ось тут дослідника і студента чекає одна з логічних пасток: внутрішня електронегативність клітини виникає не через появу зайвих негативних частинок (аніонів), а навпаки - через втрату деякої кількості позитивних частинок (катіонів).

І тому сутність нашої розповіді полягатиме не в тому, що ми пояснимо, звідки беруться негативні частинки в клітці, а в тому, що ми пояснимо, яким чином у нейронах виходить дефіцит позитивно заряджених іонів – катіонів.

Куди ж подінуться з клітини позитивно заряджені частки? Нагадаю, що це іони натрію – Na + та калію – K + .

Натрій-калієвий насос

А вся справа полягає в тому, що в мембрані нервової клітини постійно працюють насоси-обмінники , Утворені спеціальними білками, вбудованими в мембрану. Що вони роблять? Вони змінюють "власний" натрій клітини на зовнішній "чужий" калій. Через це в клітині виявляється, зрештою, недолік натрію, який пішов на обмін. І водночас клітина переповнюється іонами калію, що її натягли ці молекулярні насоси.

Щоб легше було запам'ятати, образно можна сказати так: Клітина любить калій!(Хоча про справжнє кохання тут не може йти й мови!) Тому вона і затягує калій у себе, незважаючи на те, що його і так повно. Тому вона невигідно обмінює його на натрій, віддаючи 3 іони натрію за 2 іони калію. вона витрачає на цей обмін енергію АТФ... І як витрачає!.. До 70% усіх енерговитрат нейрона може йти на роботу натрій-калієвих насосів.От що робить кохання, хай навіть не справжнє!

До речі, цікаво, що клітина не народжується із потенціалом спокою у готовому вигляді. Наприклад, при диференціюванні та злитті міобластів потенціал їхньої мембрани змінюється від -10 до -70 mV, тобто. їхня мембрана стає більш електронегативною, вона поляризується в процесі диференціювання. А в експериментах на мультипотентних мезенхімальних стромальних клітин (ММСК) кісткового мозку людиништучна деполяризація інгібувала диференціювання клітин (Fischer-Lougheed J., Liu J.H., Espinos E. et al. Fischer-Lougheed J. et al. differentiation of mesenchymal stem cells.Plos One 2008;3).

Образно кажучи, можна сказати так:

Створюючи потенціал спокою, клітина "заряджається коханням".

Це любов до двох речей:

1) любов клітини до калію,

2) любов калію до свободи.

Як не дивно, але результат цих двох видів кохання – порожнеча!

Саме вона, порожнеча, створює у клітині негативний електричний заряд – потенціал спокою. Точніше, негативний потенціал створюютьпорожні місця, що залишилися від калію, що втік з клітини.

Отже, результат діяльності мембранних іонних насосів-обмінників такий:

Натрій-калієвий іонний насос-обмінник створює три потенціали (можливості):

1. Електричний потенціал – можливість затягувати всередину клітини позитивно заряджені частинки (іони).

2. Іонний натрієвий потенціал – можливість затягувати всередину клітини іони натрію (і саме натрію, а не якісь інші).

3. Іонний калієвий потенціал - можливість виштовхувати з клітини іони калію (і саме калію, а не якісь інші).

1. Дефіцит натрію (Na+) у клітині.

2. Надлишок калію (K+) у клітині.

Можна сказати так: іонні насоси мембрани створюють різниця концентраційіонів, або градієнт (перепад)концентрації, між внутрішньоклітинним та позаклітинним середовищем.

Саме через дефіцит натрію в клітину, що вийшов, тепер "полізе" цей самий натрій зовні. Так завжди поводяться речовини: вони прагнуть вирівняти свою концентрацію у всьому об'ємі розчину.

І водночас у клітині вийшов надлишок іонів калію проти зовнішнім середовищем. Тому що насоси мембрани накачали їх у клітину. І він прагне зрівняти свою концентрацію всередині та зовні, і тому прагне вийти з клітки.

Тут ще важливо зрозуміти, що іони натрію і калію як би не помічають один одного, вони реагують тільки на самих себе. Тобто. натрій реагує на концентрацію ж натрію, але "не звертає уваги" на те, скільки навколо калію. І навпаки, калій реагує лише на концентрацію калію та "не помічає" натрій. Виходить, що для розуміння поведінки іонів у клітині треба окремо порівнювати концентрації іонів натрію і калію. Тобто. треба окремо порівняти концентрацію по натрію всередині та зовні клітини та окремо - концентрацію калію всередині та зовні клітини, але не має сенсу порівнювати натрій з калієм, як це часто робиться у підручниках.

За законом вирівнювання концентрацій, що діє у розчинах, натрій "хоче" зовні увійти до клітини. Але не може, оскільки мембрана у звичайному стані погано його пропускає. Його заходить трошки і клітина його знову відразу обмінює на зовнішній калій. Тому натрій у нейронах завжди у дефіциті.

А ось калій може легко виходити з клітини назовні! У клітці його повно, і вона втримати його не може. Так ось він і виходить назовні через спеціальні білкові дірочки в мембрані (іонні канали).

Аналіз

Від хімічного – до електричного

А тепер - найголовніше, стежте за думкою, що викладається! Ми повинні перейти з руху хімічних частинок до руху електричних зарядів.

Калій заряджений позитивним зарядом, і тому він, коли виходить із клітини, виносить із неї як себе, а й " плюски " (позитивні заряди). На їхньому місці в клітині залишаються "мінуси" (негативні заряди). Це і є мембранний потенціал спокою!

Мембранний потенціал спокою - це дефіцит позитивних зарядів усередині клітини, що утворився рахунок витоку з клітини позитивних іонів калію.

Висновок

Рис. Схема формування потенціалу спокою (ВП). Автор дякує Попову Катерині Юріївні за допомогу у створенні малюнка.

Складові частини потенціалу спокою

Потенціал спокою - негативний із боку клітини і складається з двох частин.

1. Перша частина - це приблизно -10 мл, які виходять від нерівносторонньої роботи мембранного насоса-обмінника (адже він більше викачує "плюсиків" з натрієм, ніж закачує назад з калієм).

2. Друга частина - це витікає весь час з клітини калій, що забирає позитивні заряди з клітини. Він дає більшу частину мембранного потенціалу, доводячи його до -70 мілівольт.

Калій перестане виходити з клітини (точніше, його вхід і вихід зрівняються) тільки при рівні електронегативності клітини -90 мілівольт. Але цьому заважає постійно натрій, що підтікає в клітину, який тягне з собою свої позитивні заряди. І в клітині підтримується рівноважний стан на рівні -70 мілівольт.

Зверніть увагу, що для створення потенціалу спокою потрібні витрати енергії. Ці витрати виробляються іонними насосами, які обмінюють "свій" внутрішній натрій (іони Na+) на "чужий" зовнішній калій (K+). Згадаймо, що іонні насоси є ферментами АТФазами і розщеплюють АТФ, отримуючи з неї енергію на вказаний обмін іонів різного типу один на одного. різницю електричних потенціалів з різних боків мембрани). Іони переміщуються у той чи інший бік під впливом обох цих сил, куди й витрачається енергія. При цьому один із двох потенціалів (хімічний або електричний) зменшується, а інший збільшується. Зрозуміло, якщо розглядати електричний потенціал (різницю потенціалів) окремо, то не враховуватимуться "хімічні" сили, що переміщують іони. І тоді може скластися неправильне враження про те, що енергія на рух іоно береться ні звідки. Але це не так. Необхідно розглядати обидві сили: хімічну та електричну. У цьому великі молекули з негативними зарядами, що усередині клітини грають роль " статистів " , т.к. їх переміщують через мембрану ні хімічні, ні електричні сили. Тому ці негативні частинки зазвичай і не розглядають, хоча вони існують і саме вони забезпечують негативну сторону різниці потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. А ось спритні іони калію, якраз здатні до переміщення, і саме їх витік із клітини під дією хімічних сил створює левову частку електричного потенціалу (різниці потенціалів). Адже саме іони калію переміщують на зовнішню сторону мембрани позитивні електричні заряди, будучи позитивно зарядженими частинками.

Так що вся справа в натрій-калієвому мембранному насосі-обміннику та подальшому витіканні з клітини "зайвого" калію. За рахунок втрати позитивних набоїв при цьому витіканні всередині клітини наростає електронегативність. Вона і є "мембранний потенціал спокою". Він вимірюється всередині клітини і зазвичай становить -70 мВ.

Висновки

Говорячи образно, "мембрана перетворює клітину на "електричну батарейку" за допомогою управління іонними потоками".

Мембранний потенціал спокою утворюється за рахунок двох процесів:

1. Робота калій-натрієвого насоса мембрани.

Робота калій-натрієвого насоса, у свою чергу, має 2 наслідки:

1.1. Безпосередня електрогенна (що породжує електричні явища) дію іонного насоса-обмінника. Це створення невеликої електронегативності всередині клітини (-10 мВ).

Винен у цьому нерівний обмін натрію на калій. Натрію викидається з клітини більше, ніж надходить в обмін калію. А разом із натрієм видаляється і більше "плюсиків" (позитивних зарядів), ніж повертається разом із калієм. Виникає невеликий дефіцит позитивних зарядів. Мембрана зсередини заряджається негативно (приблизно -10 мВ).

1.2. Створення передумов виникнення великої электроотрицательности.

Ці причини - нерівна концентрація іонів калію всередині та зовні клітини. Зайвий калій готовий виходити з клітини та виносити з неї позитивні заряди. Про це ми скажемо зараз нижче.

2. Витік іонів калію із клітини.

Із зони підвищеної концентрації всередині клітини іони калію виходять у зону зниженої концентрації назовні, виносячи позитивні електричні заряди. Виникає сильний дефіцит позитивних зарядів усередині клітини. Через війну мембрана додатково заряджається зсередини негативно (до -70 мВ).

Фінал

Калій-натрієвий насос створює передумови виникнення потенціалу спокою. Це - різниця в концентрації іонів між внутрішнім та зовнішнім середовищем клітини. Окремо поводиться різниця концентрації по натрію і різниця концентрації по калію. Спроба клітини вирівняти концентрацію іонів за калієм призводить до втрати калію, втрати позитивних зарядів і породжує електронегативність усередині клітини. Ця електронегативність становить більшу частину потенціалу спокою. Найменшу його частину становить безпосередня електрогенність іонного насоса, тобто. переважаючі втрати натрію за його обміні на калій.

Відео: Мембранний потенціал спокою (Resting membrane potential)

У 1786 році професор анатомії Болонського університету Луїджі Гальвані провів ряд дослідів, які започаткували цілеспрямовані дослідження в галузі біоелектричних явищ. У першому досвіді він підвішував препарат оголених лапок жаби за допомогою мідного гачка на залізних гратах, і виявив, що при кожному торканні м'язами грати вони скорочувалися. Гальвані припустив, що скорочення м'язів взагалі - наслідок впливу на них "тварини електрики", джерелом якого є нерви і м'язи. Однак, на думку Вольта, причиною скорочення був електричний струм, який виник у сфері контакту різнорідних металів. Гальвані поставив другий досвід, у якому джерелом струму, що діяв на м'яз, точно був нерв: м'яз знову скорочувався. Таким чином, було отримано точний доказ існування «тварини електрики».

Всі клітини мають свій електричний заряд, який формується внаслідок неоднакової проникності мембрани для різних іонів. Клітини збудливих тканин (нервова, м'язова, залізиста) відрізняються тим, що вони під дією подразника змінюють проникність своєї мембрани для іонів, внаслідок чого іони дуже швидко транспортуються згідно з електрохімічним градієнтом. Це і є процесом збудження. Його основою є потенціал спокою.

Потенціал спокою

Потенціал спокою – відносно стабільна різниця електричних потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами клітинної мембрани. Його величина зазвичай варіює в межах від -30 до -90 мВ. Внутрішня сторона мембрани у спокої заряджена негативно, а зовнішня – позитивно через різні концентрації катіонів і аніонів всередині і поза клітини.

Внутрішньо- та позаклітинні концентрації іонів (ммоль/л) у м'язових клітинах теплокровних тварин

У нервових клітинах схожа картина. Таким чином, видно, що основну роль у створенні негативного заряду всередині клітини грають іони K+ та високомолекулярні внутрішньоклітинні аніони, головним чином вони представлені білковими молекулами з негативно зарядженими амінокислотами (глутамат, аспартат) та органічними фосфатами. Ці аніони, зазвичай, що неспроможні транспортуватися через мембрану, створюючи постійний негативний внутрішньоклітинний заряд. У всіх точках клітини негативний заряд практично однаковий. Заряд усередині клітини є негативним як абсолютно (у цитоплазмі аніонів більше, ніж катіонів), і щодо зовнішньої поверхні клітинної мембрани. Абсолютна різниця невелика, проте цього достатньо створення електричного градієнта.

Головним іоном, що забезпечує формування потенціалу спокою (ПП), є K+. У клітці, що покоїться, встановлюється динамічна рівновага між числом вхідних і виходять іонів K + . Ця рівновага встановлюється тоді, коли електричний градієнт врівноважує концентраційний. Згідно з концентраційним градієнтом, створюваним іонними насосами, K + прагне вийти з клітини, проте негативний заряд усередині клітини і позитивний заряд зовнішньої поверхні клітинної мембрани перешкоджають цьому (електричний градієнт). У разі рівноваги на клітинній мембрані встановлюється рівноважний потенціал калію.

Рівноважний потенціал для кожного іона можна розрахувати за формулою Нернста:

E ion =RT/ZF·ln( o / i),

де E ion - потенціал, створюваний даним іоном;

R – універсальна постійна газова;

Т - абсолютна температура (273 +37 ° С);

Z – валентність іона;

F - Постійна Фарадея (9,65 · 10 4);

O – концентрація іона у зовнішньому середовищі;

I – концентрація іона всередині клітини.

При температурі 37°С рівноважний потенціал K + дорівнює -97мВ. Проте реальний ПП менший – близько -90 мВ. Це тим, що у формування ПП свій внесок роблять й інші іони. У цілому нині ПП – це алгебраїчна сума рівноважних потенціалів всіх іонів, що усередині і поза клітини, куди входять також значення поверхневих зарядів самої клітинної мембрани.

Вклад Na + і Cl - у створення ПП невеликий, проте він має місце. У спокої вхід Na+ у клітину низький (набагато нижчий, ніж K+), але він зменшує мембранний потенціал. Вплив Cl - протилежний, оскільки це аніон. Негативний внутрішньоклітинний заряд не дозволяє великій кількості Cl - проникнути в клітину, тому Cl - це переважно позаклітинний аніон. Як всередині клітини, так і поза нею Na + і Cl - нейтралізують один одного, внаслідок чого їх спільне надходження в клітину не суттєво впливає на величину ПП.

Зовнішня та внутрішня сторони мембрани несуть у собі власні електричні заряди, переважно з негативним знаком. Це полярні складові мембранних молекул – гліколіпідів, фосфоліпідів, глікопротеїнів. Ca 2+ , як позаклітинний катіон, взаємодіє із зовнішніми фіксованими негативними зарядами, а також з негативними карбоксильними групами інтерстицію, нейтралізуючи їх, що призводить до збільшення та стабілізації ПП.

Для створення та підтримки електрохімічних градієнтів потрібна постійна робота іонних насосів. Іонний насос – це транспортна система, що забезпечує перенесення іона всупереч електрохімічному градієнту, із безпосередніми витратами енергії. Градієнти Na+ та K+ підтримуються за допомогою Na/K – насоса. Сполученість транспорту Na + і K + приблизно вдвічі зменшує енерговитрати. Загалом витрати енергії на активний транспорт величезні: лише Na/K – насос споживає близько 1/3 всієї енергії, що витрачається організмом у спокої. 1АТФ забезпечує один цикл роботи - перенесення 3Na + з клітини, і 2 K + в клітину. Асиметричне перенесення іонів сприяє заодно формуванню та електричного градієнта (приблизно 5 – 10мВ).

Нормальна величина ПП є необхідною умовою виникнення порушення клітини, тобто. поширення потенціалу дії, що ініціює специфічну діяльність клітини.

Потенціал дії (ПД)

ПД – це електрофізіологічний процес, що виявляється у швидкому коливанні мембранного потенціалу, внаслідок специфічного переміщення іонів і здатний поширюватися без декременту великі відстані. Амплітуда ПД коливається не більше 80 – 130 мВ, тривалість піку ПД у нервовому волокні – 0,5 – 1 мс. Амплітуда потенціалу дії залежить від сили подразника. ПД або зовсім не виникає, якщо роздратування підпорогове, або досягає максимальної величини, якщо роздратування порогове або надпорогове. Головним у виникненні ПД є швидкий транспорт Na + всередину клітини, що спочатку сприяє зниженню мембранного потенціалу, та був – зміні негативного заряду всередині клітини на позитивний.

У складі ПД розрізняють 3 фази: деполяризацію, інверсію, і реполяризацію.

1. Фаза деполяризації. При дії на клітину подразника, що деполяризує, початкова часткова деполяризація відбувається без зміни її проникності для іонів (не відбувається рух Na + всередину клітини, тому що закриті швидкі потенціалчутливі канали для Na +). Na + - канали мають регульований комірний механізм, який розташований на внутрішній і зовнішній сторонах мембрани. Є активаційні ворота (m – ворота) та інактиваційні (h – ворота). У спокої m – ворота зачинені, а h – ворота відчинені. У мембрані також є K + - канали, що мають лише одні ворота (активаційні), закриті у спокої.

Коли деполяризація клітини досягає критичної величини (Е кр - критичний рівень деполяризації, КУД), яка зазвичай дорівнює 50мВ, проникність для Na + різко зростає - відкривається велика кількість потенціалзалежних m - воріт Na + - каналів. За 1 мс через 1 відкритий Na + - канал у клітину потрапляє до 6000 іонів. Деполяризація мембрани, що розвивається, викликає додаткове збільшення її проникності для Na + , відкриваються все нові і нові m - ворота Na + - канали, так що струм Na + має характер регенеративного процесу (сам себе посилює). Як тільки ПП стає рівним нулю, фаза деполяризації закінчується.

2.Фаза інверсії.Вхід Na + в клітину триває, тому що m - ворота Na + - канали ще відкриті, тому всередині клітини заряд стає позитивним, а зовні негативним. Тепер електричний градієнт перешкоджає входу Na + в клітину, однак, через те, що концентраційний градієнт сильніший за електричний, Na + все ж таки проходить в клітину. У той момент, коли ПД досягає максимального значення, відбувається закриття h - воріт Na + - каналів (ці ворота чутливі до величини позитивного заряду в клітині) і надходження Na + в клітину припиняється. Одночасно відкриваються ворота K+-каналів. K + транспортується з клітини згідно з хімічним градієнтом (на низхідній фазі інверсії – ще й електричним градієнтом). Вихід позитивних зарядів із клітини призводить до зменшення її заряду. K+ з невеликою швидкістю може виходити з клітини також через некеровані K+-канали, які завжди відкриті. Усі розглянуті процеси є регенеративними. Амплітуда ПД складається з величини ПП та величини фази інверсії. Фаза інверсії закінчується, коли електричний потенціал знову стає нульовим.

3.Фаза реполяризації.Пов'язана з тим, що проникність мембрани для K+ ще висока, і він виходить із клітини за градієнтом концентрації, незважаючи на протидію електричного градієнта (клітина всередині знову має негативний заряд). Виходом K+ обумовлена ​​вся низхідна частина піку ПД. Нерідко наприкінці ПД спостерігається уповільнення реполяризації, хто пов'язаний із закриттям значної частини воріт K+-каналів, а також – зі зростанням протилежно спрямованого електричного градієнта.

Одна з найважливіших функцій біологічної мембрани – генерація та передача біопотенціалів. Це є основою збудливості клітин, регуляції внутрішньоклітинних процесів, роботи нервової системи, регуляції м'язового скорочення, рецепції. У медицині на дослідження електричних полів, створених біопотенціалами органів та тканин, засновано діагностичні методи: електрокардіографія, електроенцефалографія, електроміографія та інші. Практикується і лікувальна дія на тканини та органи зовнішніми електричними імпульсами при електростимуляції.

У процесі життєдіяльності у клітинах та тканинах можуть виникати різниці електричних потенціалів: Δj

1) окислювально-відновлювальні потенціали – внаслідок перенесення електронів від одних молекул до інших;

2) мембранні – внаслідок градієнта концентрації іонів та перенесення іонів через мембрану.

Біопотенціали, що реєструються в організмі, - це переважно мембранні потенціали.

Мембранним потенціаломназивається різниця потенціалів між внутрішньою (цитоплазматичною) та зовнішньою поверхнями мембрани:

j м = j нар - j вн.(1)

Прогрес у дослідженні біопотенціалів обумовлений:

1) розробкою мікроелектродного методу внутрішньоклітинного виміру потенціалів;

2) створенням спеціальних підсилювачів біопотенціалів (УПТ);

3) вибором вдалих об'єктів дослідження великих клітин та серед них гігантського аксона кальмара.Діаметр аксона кальмара сягає 0,5 мм, що у 100 - 1000 більше, ніж діаметр аксонів хребетних тварин, зокрема людини. Гігантські розміри аксона мають велике фізіологічне значення - забезпечують швидку передачу нервового імпульсу нервовим волокном.

Для біофізики гігантський аксон кальмара послужив чудовим модельним об'єктом вивчення біопотенціалів. У гігантський аксон кальмара можна запровадити мікроелектрод, не завдавши аксону значних ушкоджень.

Скляний мікроелектрод є скляною мікропіпеткою з відтягнутим дуже тонким кінчиком (рис.5.1 ).

Металевий електрод такої товщини пластичний і не може проколоти клітинну мембрану, крім того, він поляризується. Для виключення поляризації електрода використовуються електроди, що неполяризуються, наприклад срібний дріт, покритий сіллю AgClУ розчин КС1або NaCl(желатинізований агар-агаром), що заповнює мікроелектрод.

Другий електрод - електрод порівняння - розташовується у розчині біля зовнішньої поверхні клітини. Реєструючий пристрій Р, що містить підсилювач постійного струму, вимірює мембранний потенціал:

Рис.5.1 - Мікроелектродний метод вимірювання біопотенціалів

а - скляна мікропіпетка; б – скляний мікроелектрод;

в - схема реєстрації мембранного потенціалу

Мікроелектродний метод дав можливість виміряти біопотенціали не тільки на гігантському аксоні кальмара, але і на клітинах нормальних розмірів: нервових волокнах інших тварин, клітинах скелетних м'язів, клітинах міокарда та інших.

Мембранні потенціали поділяються на потенціали спокою та потенціали дії.

Потенціал спокою- стаціонарна різниця електричних потенціалів, що реєструється між внутрішньою та зовнішньою поверхнями мембрани у незбудженому стані.

Потенціал спокою визначається різною концентрацією іонів з різних боків мембрани та дифузією іонів через мембрану.

Якщо концентрація будь-якого іона всередині клітини С вн відмінна від концентрації цього іона зовні С нар і мембрана проникна для цього іона, виникає потік заряджених частинок через мембрану, внаслідок чого порушується електрична нейтральність системи, утворюється різниця потенціалів всередині та зовні клітини j м = j нар - j вн яка перешкоджатиме подальшому переміщенню іонів через мембрану. При встановленні рівноваги вирівнюються значення електрохімічних потенціалів з різних боків мембрани: m вн = m нар .

Так як m = m 0 + RTlnC + ZFj, то

RTlnC вн + ZFj вн = RTlnC нар + ZFj нар

Звідси легко отримати формулу Нернстадля рівноважного мембранного потенціалу

j м = j нар - j вн = - RT / ZF'ln (C вн / С нар)

Якщо мембранний потенціал обумовлений перенесенням іонів К + ,для якого [К + ] вн > [К + ] нар та Z = +1, рівноважний мембранний потенціал

Для іонів Na + : вн< нар, Z = +1,

Якщо формулі Нернста перейти від натурального логарифму до десяткового, то позитивного одновалентного іона (Z = +1)

Приймемо температуру Т=300 К, тоді

Приймемо у формулі Нернста С вн /С нар ≈100, що по порядку величини відповідають експериментальним даним калію:

lg і мембранний потенціал

0,06∙2В = 0,12В = 120мВ,

що трохи більше модуля експериментально виміряних значень потенціалу спокою, і, користуючись формулами електростатики, оцінимо, яка кількість іонів має перейти з цитоплазми в неклітинне середовище, щоб створити таку різницю потенціалів. Радіус клітини r = 10 мкм = 10 -5 м. Питома електроємність мембрани (електромісткість на одиницю площі) Зуд =10 -2 Ф/м 2 . Площа мембрани 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 м 2 ≈10 -9 м 2 . Тоді електроємність мембрани

C=C уд ∙S≈10 -2 ∙10 -9 м2.

Абсолютна величина заряду кожного знака на поверхні мембрани, якщо її уявити як конденсатор,

що відповідає

Об'єм клітини

Зміна концентрації іонів у клітині внаслідок виходу з клітини 10 -17 моль іонів складе

Невелика зміна концентрації порівняно зі зміною концентрації іонів калію всередині клітини становить лише 10 -4 % від концентрації калію всередині клітини. Таким чином, щоб створити рівноважний нернстовський мембранний потенціал, через мембрану має пройти зневажливо мала кількість іонів порівняно із загальною їх кількістю у клітині.

Таким чином, потенціал спокою насправді ближче до потенціалу, розрахованого за формулою Нернста для К+. Разом з тим, привертає увагу значне розходження експериментальних і теоретичних значень. Причини розбіжності у тому, що не враховано проникність мембрани для інших іонів. Одночасна дифузія через мембрану іонів К+, Na+ та С1 – враховується рівнянням Гольдмана.

Рівняння Гольдмана можна вивести із рівняння Нернста-Планку.

Перетворимо це рівняння:

URT=D відповідно до співвідношення Ейнштейна. Приймемо так зване наближення незмінного поля Гольдмана. Вважатимемо напруженість електричного поля в мембрані постійною і рівною середньому значенню градієнта потенціалу:

де l- Товщина мембрани.

Отримаємо для щільності іонного потоку через мембрану:

Позначимо Запишем

Розділимо змінні:

Проінтегруємо ліву частину диференціального рівняння в межах від 0 до 1, а праву від С нар = КС нар до С вн = КС вн (де К - коефіцієнт розподілу)

Після потенціювання

Висловимо звідси:

Враховуючи, що , отримаємо:

У стаціонарному випадку, коли різниця потенціалів - мембранний потенціал - гальмує подальше перенесення іонів через мембрану, сумарний потік різних іонів стає рівним нулю:

j K + + j Na + - j Cl - = 0

Перед jстоїть знак мінус, що враховує негативний заряд іону хлору. Однак, оскільки у створенні мембранного потенціалу беруть участь різні іони, рівновага при цьому не настає, потоки різних іонів не дорівнюють нулю окремо. Якщо врахувати лише потоки j K +і j Na +, то j K+ +j Na+ =0, або j K = - j Na +і, підставивши, отримаємо:

Оскільки,

Якщо врахувати ще й потік іонів З 1 -, то, повторивши попередні міркування, можна отримати рівняння для мембранного потенціалу, створеного потоками через мембрану трьох видів іонів, рівняння Гольдмана:

У чисельнику виразу, що стоїть під знаком логарифму, представлені концентрації [До + ] ВН, BH , але [С1 - ] НАР, а у знаменнику - [До + ] НАР, H АР,але [С1 - ] ВН, оскільки іони хлору негативно заряджені.

У стані спокою проникність мембрани для іонів К + значно більша, ніж для Na + , і більше, ніж для С1 - :

P K >> P Na , P K > P Na .

Для аксона кальмара, наприклад,

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45.

Переписавши рівняння Гольдмана у вигляді:

у випадку, коли проникність мембрани для іонів натрію та хлору значно менша за проникність для калію:

P Na<< P K , P Cl << P K ,

Таким чином, рівняння Нернста - окремий випадок рівняння Гольдмана.

Мембранний потенціал, розрахований за рівнянням Гольдмана, виявився по абсолютній величині меншим від мембранного потенціалу, розрахованого за формулою «Нернста» ближче до експериментальних його значень у великих клітинах. І формула Нернста, і рівняння Гольдмана не враховують активного транспорту іонів через мембрану, наявності в електрогенних мембранах (що викликають поділ зарядів, а отже і виникнення різниці потенціалів) іонних насосів, що відіграють важливу роль у підтримці іонної рівноваги в дрібних клітинах. У цитоплазматичній мембрані працюють К+-Nа+-АТФази, що перекачують калій усередину клітини, а натрій із клітини. З урахуванням роботи електрогенних іонних насосів для мембранного потенціалу було отримано рівняння Томаса:

де m - відношення кількості іонів натрію до кількості іонів калію, що перекачуються іонними насосами через мембрану. Найчастіше К + -Nа + -АТФаза працює в режимі, коли m = 3/2, m завжди більше 1. (Немає іонних насосів, що перекачують Сlтому у рівнянні Томаса відсутні члени Р Сl [Сl -].)

Коефіцієнт m > 1 посилює внесок градієнта концентрації калію у створення мембранного потенціалу, тому мембранний потенціал, розрахований за Томасом, більший за абсолютною величиною, ніж мембранний потенціал, розрахований за Гольманом, і дає збіг з експериментальними значеннями для дрібних клітин.

Порушення біоенергетичних процесів у клітині та роботи K+-Na+-АТФази призводить до зменшення |φ м|, у цьому випадку мембранний потенціал краще описується рівнянням Гольдмана.

Ушкодження клітинної мембрани призводить до підвищення проникності клітинних мембран всім іонів: до підвищення і P до, і P Na , і P сl Внаслідок зменшення відмінності проникностей абсолютне значення мембранного потенціалу | м | знижується.

Для сильно пошкоджених клітин | м | ще менше, але зберігається негативний мембранний потенціал | м | за рахунок поліаніонів, що містяться в клітині, - негативно заряджених білків, нуклеїнових кислот та інших великих молекул, які не можуть проникнути через мембрану (доннанівський потенціал).

Потенціал дії

За допомогою електричних нервових імпульсів (потенціалів дії) у живому організмі передається інформація від рецепторів до нейронів мозку та від нейронів мозку до м'язів. Живий організм є повністю електрифікованою системою. Без електрики немає життя.

Потенціал дії було відкрито раніше потенціалу спокою. Тварина електрика відома давно. Розряди електричного вугра (що відбуваються при напрузі до 600 В, зі струмом близько 60 А та тривалістю порядку мілісекунди) використовувалися медициною ще в Стародавньому Римі для лікування подагри, головного болю, епілепсії. Електричний нервовий імпульс відкрив Луїджі Гальвані, професор анатомії у м. Болонья. Результати його електрофізіологічних дослідів викладено у книзі "Трактат про сили електрики при м'язовому русі" (1791). Гальвані відкрив, що м'язові скорочення кінцівок препарованої жаби можуть викликатися електричним імпульсом і що жива система є джерелом електричного імпульсу. Велике відкриття Гальвані відіграло визначну роль у розвитку фізики, електротехніки, електрохімії, фізіології, біофізики та медицини. Однак, величезна популярність ідей Гальвані призвела до їх профанацій, сліди яких залишилися до нашого часу (гальванізація трупів, гальванізм дотиків поглядів тощо), що викликало недовіру до експериментів Гальвані вчених-фізиків. Молодший сучасник Гальвані професор фізики Алессандро Вольта був запеклим противником ідеї тваринного електрики (крім особливих випадків електричних риб: електричного вугра та електричного ската). У своїх експериментах він виключив біологічний об'єкт і показав, що електричний струм можна отримати при контакті набору металів, розділених електролітом (вольтів стовп). Так було відкрито хімічне джерело струму (назване, проте пізніше, на честь його наукового супротивника гальванічним елементом).

У ХІХ столітті утвердилося примітивне уявлення про поширення електричних струмів по нервах, як у проводах. Проте Гельмгольцем (друга половина ХІХ століття) було показано, що швидкість поширення нервового імпульсу становить лише 1-100 м/с, це значно менше, ніж швидкість поширення електричного імпульсу проводами до 3 10 8 м/с. Тому до кінця XIX століття гіпотеза електричної природи нервового імпульсу була відкинута більшістю фізіологів. Було висунуто припущення про поширення нервових волокон хімічної реакції. Насправді, як було показано пізніше, повільне поширення електричного нервового імпульсу пов'язане з повільною перезарядкою конденсаторів, які є клітинними мембранами, через великі опори. Постійна перезаряджання мембрани τ= RC велика, оскільки великі ємність мембрани (С) і опір R нервового волокна.

Те, що нервовий імпульс є імпульсом електричного струму, було доведено лише до середини 20-го століття, в основному в роботах англійського фізіолога А. Ходжкіна та його співробітників. У 1963 році Ходжкіну, Хакслі та Іклсу було присуджено Нобелівську премію з медицини "за оперування нервових клітин".

Потенціалом дії (ПД) називається електричний імпульс, обумовлений зміною іонної проникності мембрани і пов'язаний з поширенням нервів і м'язів хвилі збудження.

Досліди щодо дослідження потенціалу дії проведені (в основному Ходжкіним та його співробітниками) на гігантських аксонах кальмара методом мікроелектродів з використанням високоомних вимірювачів напруги, а також методом мічених атомів. На риспоказані схема дослідів та результати досліджень.

У дослідах щодо дослідження потенціалу дії використовували два мікроелектроди, введені в аксон. На перший мікроелектрод подається імпульс з амплітудою V від генератора прямокутних Г імпульсів, що змінює мембранний потенціал. Мембранний потенціал вимірюється за допомогою другого мікроелектрода високоомним реєстратором напруги Р.

Рис.5.2 - Дослідження потенціалу дії:

а – схема досвіду (Г – генератор імпульсів, Р – реєстратор напруги); б - потенціал дії (φ п м - потенціал спокою, φ рев м - потенціал реверсії, φ д м - амплітуда потенціалу дії, φ пор м - пороговий потенціал)

Збудливий імпульс викликає лише короткий час зміщення мембранного потенціалу, який швидко зникає і відновлюється потенціал спокою. У тому випадку, коли збудливий імпульс зміщується ще далі в негативну сторону, він супроводжується гіперполяризацією мембрани. Також не формується потенціал дії, коли збуджуючий імпульс позитивний (деполяризуючий), але його амплітуда менше порогового значення V nop . Однак, якщо амплітуда позитивного, деполяризуючого імпульсу виявиться більше значення V nop , м стає більше φ пор м і в мембрані розвивається процес, в результаті якого відбувається різке підвищення мембранного потенціалу і мембранний потенціал φ м навіть змінює свій знак - стає позитивним (φ вн >φ нар).

Досягши деякого позитивного значення φ рев - потенціалу реверсії, мембранний потенціал повертається до значення потенціалу спокою φ п м, зробивши щось на кшталт загасання коливання. У нервових волокнах та скелетних м'язах тривалість потенціалу дії близько 1 мс (а в серцевому м'язі близько 300 мс. Після зняття збудження ще протягом 1 -3 мс у мембрані спостерігаються деякі залишкові явища, під час яких мембрана рефрактерна (незбудлива).

Новий деполяризуючий потенціал V > V nop може спричинити утворення нового потенціалу дії лише після повного повернення мембрани у стан спокою. Причому амплітуда потенціалу дії

не залежить від амплітуди потенціалу, що деполяризує (якщо тільки V > V nop). Якщо в спокої мембрана поляризована (потенціал цитоплазми негативний по відношенню до позаклітинного середовища), то при збудженні відбувається деполяризація мембрани (потенціал усередині клітини позитивний) і після зняття збудження відбувається реполяризація мембрани.

Характерні властивості потенціалу дії:

1) наявність порогового значення деполяризуючого потенціалу;

2) закон "все або нічого", тобто, якщо деполяризуючий потенціал більший за пороговий, розвивається потенціал дії, амплітуда якого не залежить від амплітуди збуджуючого імпульсу і немає потенціалу дії, якщо амплітуда деполяризуючого потенціалу менша від порогової;

3) є період рефрактерності, незбудливості мембрани під час розвитку потенціалу дії та залишкових явищ після зняття збудження;

4) у момент збудження різко зменшується опір мембрани (у аксона кальмара від 0,1 Ом м 2 у спокої до 0,0025 Ом м 2 при збудженні).

Якщо звернутися до даних для значень рівноважних нернстовських потенціалів, створених різними іонами, природно припустити, що позитивний потенціал реверсії має натрієву природу, оскільки дифузія натрію створює позитивну різницю потенціалів між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани.

Можна змінювати амплітуду імпульсу потенціалу дії, змінюючи концентрацію натрію у зовнішньому середовищі. При зменшенні зовнішньої концентрації амплітуда натрію потенціалу дії зменшується, так як змінюється потенціал реверсії. Якщо з навколишнього клітину середовища повністю видалити натрій, потенціал дії взагалі виникає.

Досліди, проведені з радіоактивним ізотопом натрію, дозволили встановити, що при збудженні проникність натрію різко зростає. Якщо в стані спокою співвідношення коефіцієнтів проникності мембрани аксона кальмара для різних іонів:

P K: P Na: P Cl = 1: 0,04: 0,45

то в стані збудження:

P K: P Na: P Cl = 1: 20: 0,45

тобто, у порівнянні з незбудженим станом, при збудженні коефіцієнт проникності натрію зростає в 500 разів.

Розрахунки мембранного потенціалу реверсії за рівнянням Гольдмана, якщо в нього підставити значення проникності мембрани для збудженого стану, збігаються з експериментальними даними.

Порушення мембрани описується рівняннями Ходжкіна-Хакслі. Одне з рівнянь Ходжкіна-Хакслі має вигляд:

де I м – струм через мембрану, С м – ємність мембрани, ∑I i – сума іонних струмів через мембрану.

Електричний струм через мембрану складається з іонних струмів: іонів калію - I k +, натрію - I Na + та інших іонів, у тому числі Сl, так званого струму витоку I k, а також ємнісного струму. Ємнісний струм обумовлений перезарядкою конденсатора, який є мембраною, перетіканням зарядів з однієї її поверхні на іншу. Його величина визначається кількістю заряду, що перетікає з однієї обкладки на іншу за одиницю часу dq/dt, а оскільки заряд конденсатора q = С м ∆φ = С м φ м, то ємнісний струм С М . Повний мембранний струм

Згідно з теорією Ходжкіна-Хакслі, збудження елемента мембрани пов'язане зі змінами провідності мембрани для іонів Na + і К + : g K і g Na .

Провідності мембрани складним чином залежать від мембранного потенціалу та часу.

Виявлено, що, якщо підняти мембранний потенціал (м вище порогового, спочатку тече струм всередину клітини, а потім з клітини назовні).

В експериментах, проведених Ходжкіним, Хакслі, Бейкером, Шоу, було доведено, що фаза I мембранного струму пов'язана з потоком іонів натрію з навколишнього середовища (де концентрація натрію більша) в клітину (де вона менша), а фаза II пояснюється витіканням іонів калію з клітини назовні.

У своїх дослідах Ходжкін та Хакслі змінювали іонний склад навколишнього розчину. Було виявлено, що якщо зовні прибирали натрій, перша фаза мембранного струму (струм всередину клітини) пропадала. Отже, насправді перша фаза розвитку потенціалу дії пов'язана зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію. Потік позитивних частинок у клітину призводить до деполяризації мембрани - внутрішня поверхня її заряджається позитивно по відношенню до зовнішньої.

У другій фазі різко збільшується проникність мембрани для калію та з клітини назовні виходять позитивно заряджені іони калію, тоді як натрієвий струм зменшується. Іонний механізм розвитку потенціалу дії був остаточно доведений у вирішальному експерименті Ходжкіна, Бейкера і Шоу, в якому аксоплазму препарованого аксона замінили зовнішній розчин, а іонний склад зовнішнього розчину зробили таким же, як у нормальної аксоплазми. За такої заміни іонних складів змінила знак різниця потенціалів на мембрані. Тепер у спокої її внутрішня поверхня була заряджена позитивно по відношенню до зовнішньої. А потенціал дії виявився негативним.

Висунуто гіпотезу, що селективна (виборча) зміна іонної проникності збудженої мембрани: спочатку для Na + , а потім для К + - пояснюється тим, що в мембрані є спеціальні іонні канали. Існують окремо натрієві та калієві канали, які відкриваються та закриваються під час проходження через цю ділянку мембрани нервового імпульсу. У першій фазі – відкриваються натрієві канали, у другій фазі – калієві. Відповідно спочатку закриваються натрієві канали, а потім калієві. Відкриття та закривання іонних каналів викликається зміною мембранного потенціалу.

Один із доказів наявності в мембрані іонних каналів - існування речовин, що блокують іонні потоки через мембрану. Так, що міститься в рибі фугу тетродотоксин блокує надходження всередину клітини натрію і, таким чином, порушує передачу нервового імпульсу, що може призвести до смерті. Доведено, що тетродотоксин не впливає на проникність клітини для калію, отже, іони натрію та калію насправді проходять через різні канали. Через свою специфічну будову молекули тетродотоксину, мабуть, застряють у натрієвих каналах. Підрахувавши кількість молекул тетродотоксину, що застрягли в мембрані, вдалося визначити кількість натрієвих каналів. У різних нервових волокнах хребетних воно було різним - від 3 до 75 каналів на один квадратний мікрометр площі мембрани (для порівняння кількість молекул фосфоліпідів 2 10 6 1/мкм 2).

Був виявлений і специфічний інгібітор калієвих каналів. тетраетиламоній. Якщо обробити мембрану тетродотоксином, що блокує натрієві канали, у дослідах з фіксацією мембранного потенціалу пропадає перша фаза, а тетраетиламмоній, що припиняє перенесення через мембрану калію, викликає зникнення другої фази.

Таким чином, встановлено, що формування потенціалу дії викликається іонними потоками через мембрану: спочатку іонів натрію всередину клітини, а потім іонів калію з клітини в зовнішній розчин, що пов'язано зі зміною провідності мембрани для іонів калію і натрію.