Теоретическая часть

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 3

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ

Цель работы: рассмотреть электрофизиологические процессы, происходящие на мембране нервных клеток, освоить решение задач по определению мембранного потенциала

Теоретическая часть

Клеточная мембрана представляет собой тонкую (7 нм) липопротеиновую пластинку, содержание липидов в которой составляет около 40%, белков – около 60%. Изнутри клеточная мембрана выстлана тонким и более плотным слоем гиалоплазмы. На внешней поверхности мембраны расположены молекулы углеводородов и их комплексов с белками и липидами. Вместе они образуют слой, который называется гликокаликс. Углеводы участвуют в процессах рецепции активных веществ.

Рисунок 1 – Схема строения клеточной мембраны

Задание 1. Самостоятельно подпишите и выделите разными цветами основные структуры клеточной мембраны нейрона на рисунке 1.

Молекулы липидного слоя мембраны нейрона состоят из двух частей:

- гидрофильная часть – несет заряд;

- гидрофобная часть – не заряжена.

Наличие гидрофобной и гидрофильной части определяет двухслойную структуру мембраны.

В липидный слой встроены молекулы белков, которые объединены в основные классы: структурные белки, белки – переносчики, ферменты, белки образующие ионные каналы, ионные насосы и специфические белки.

Рисунок 2 – Схема липида клеточной мембраны

Задание 2. Рассмотрите строение, выделите красным цветом заряженную часть молекулы, а зеленым – не заряженную часть молекулы

Клеточная мембрана нейрона обладает свойством избирательной проницаемости: одни вещества пропускает, другие нет. В частности, мембрана легко проницаема для жиров, проникающих через липидный слой. В то же время анионы органических кислот не проходят через мембрану.

При действии нервных импульсов проницаемость мембран нейрона для различных ионов изменяется, это обеспечивает движение ионов согласно градиенту концентрации и электрическому градиенту, и выражается в возникновении возбуждающих и тормозных потенциалов.

Поступление нейтральных молекул и ионов осуществляется за счет пассивного и активного транспорта. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала. Активный транспорт требует затрат химической энергии в виде гидролиза молекул АТФ.

Основным механизмом пассивного транспорта является диффузия, которую обусловливает наличие концентрационного градиента. Градиентом концентрации называют изменение концентрации вещества на единицу длины в направлении диффузии.

Диффузия – это самопроизвольное перемещение вещества из области с большей концентрацией в места с меньшей его концентрацией вследствие теплового движения молекул.

Различают простую и облегченную диффузию ионов. Простая диффузия характеризуется движением через ионный канал без переносчика, а облегченная с участием переносчика, увеличивающего скорость диффузии. Например, молекулы белка валиномицина облегчает диффузию ионов калия (рассмотрите рисунок 3).

Рисунок 3 – Виды диффузии

В случае облегченной диффузии, ионная проницаемость обеспечивается ионным каналом, который образован трансмембранным белком (валиномицин в случае диффузии калия). Активация такого канала обусловлена взаимодействием какого-либо участка молекулы канала с определенным химическим веществом. При взаимодействии происходит изменении конформации белковой молекулы, что приводит к переносу иона/ов через данный канал.

Конформация (от лат. conformatio — форма, построение, расположение) – это способность молекул органических соединений изменять свою геометрическую форму при сохранении химического строения, длины связи и валентных углов, в результате взаимодействия их атомов, приводящих к образованию водородных связей, сил отталкивания или притяжения.

Диффузия ионов через мембрану создает разность электрических потенциалов. Возникновение разности потенциалов обусловлено неравномерным распределением ионов между клеткой и окружающей средой. Для объяснения механизма неравномерного распределения ионов по обе стороны мембраны Фредерик Доннан предложил модель, в которой два раствора разделенные мембраной, проницаемой для воды и ионов, но не проницаема для крупных белковых молекул (рассмотрите рисунок 4).

В исходном состоянии в камере слева (а) находится раствор хлорида калия, а в камере справа (б) – протеина калия. Поскольку в камере справа ионы хлора отсутствуют, они перемещаются из камеры слева (а) в камеру справа (б) по градиенту концентрации. Движение ионов хлора смещает электронейтральность раствора и приводит к движению ионов калия, которые устремляются вслед за хлором из камеры слева (а) в камеру справа (б) для восстановления электронейтральности.

В результате, к моменту достижения равновесия в камере справа (б) проникает Х ионов хлора, а содержание ионов калия становится Св ^К+ + Х. В камере слева (а) содержание ионов калия и хлора становится равным Сн ^К+ – Х.

ВНЕШНЯЯ   Сн – х = [K+] a   Сн – х = [Cl-] a СТОРОНА

ВНУТРЕННЯ   [K+] б = Св + х   [Cl-] б = х   СТОРОНА

Рисунок 4 – Движение ионов через мембрану нейрона

Ф. Доннан показал, что при равновесии произведение концентраций ионов, способных к диффузии, по обе стороны мембраны равны.

[K⁺] _б · [Cl^-] _б = [K⁺] _a · [Cl^-] _a (1)

Состояние системы, при котором выполняется это условие, называется доннановским равновесием.

После преобразования выражение (1) можно определить величину Х - равновесную концентрацию ионов, прошедших через мембрану и способных к диффузии:

[Cв^К+ + Х] · Х = [Сн^К+ – Х] · [Сн ^К+ – Х] (2)

Откуда (раскройте скобки и выразите Х)

Х = С²н^К+/(Свн ^К+ + 2Сн ^К+)(3)

Состояние равновесия Доннана возможно при условии, что по обе стороны мембраны находятся электронейтральные растворы. Однако если с одной стороны мембраны раствор электролита более концентрирован, чем с другой, то возникает поток воды, создающий осмотическое давление на клеточную оболочку. В результате увеличения величины давления клеточная оболочка может быть повреждена, что ведет к гибели клети. Для предотвращения этого в процесс эволюции был выработан следующий механизм: недостаток электролитов в наружной среде компенсируется присутствием соли NaCl.

Мембрана малопроницаема для ионов натрия, поэтому ионы натрия, окружающие клетку, являются основным фактором, уравновешивающим осмотическое давление.

Мембранный потенциал (φ_м^ПП), обусловленный переносом ионов калия можно определить с помощь уравнения Нернста для калия[1]:

φ_м^ПП = - 2,3 · (RT/F) · lg([K⁺]в / [K⁺]н) (4)

где [K⁺]н и [K⁺]в – молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль · К)), Т – температура, градусы Кельвина (T=273+t), F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль), Z – заряд иона.

Большая часть ионов калия в цитоплазме нервной клетки находится в свободном состоянии. Используя метод меченных изотопов (⁴²К) было установлено, что не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается через мембрану клетки. Учитывая то, что внутри клетки концентрация ионов калия в 10-20 раз больше, чем снаружи, происходит диффузия этих ионов, которая определяет формирование мембранного потенциала (биопотенциала мембраны).

Восстановление внутриклеточной концентрации ионов калия происходит в результате активного транспорта, посредством работы транспортной системы – фермента Na, K-ATФ-азы, которая откачивает ионы натрия из клетки и закачивает ионы калия в клетку за счет энергии гидролиза молекул АТФ.

Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением, т.е. против градиента концентрации, с затратой энергии (АТФ).

Рисунок 5 – Схема строение Na, K-ATФ-азы

Na, K-ATФ-аза – это комплекс липопротеинов, функции которого связаны с конформационными перестройками молекул его образующих.

Na, K-ATФ-аза состоит из двух α- и двух β-субъединиц. Субъединица α осуществляет гидролиз АТФ, а субъединица β переносит ионы. В результате работы Na, K-ATФ-азы клетка возвращает 2 иона калия и выводит 3 иона натрия, поддерживая тем самым, ассиметричный перенос этих ионов, что обеспечивает дополнительное увеличение потенциала покоя на 5 – 10 мВ. Результатом процесса диффузии и активного транспорта является мембранный потенциал покоя.