Мембранный потенциал, его ионный механизм

Методы изучения функций ЦНС (импульсная активность нейронов и вызванные потенциалы).

Вызванные потенциалы (ВП) – это изменение электрической активности мозга,  возникающее в ответ на раздражение рецепторов, афферентных путей и центров переключения  афферентной импульсации. ВП обычно получают в ответ на стимуляцию рецепторов зрительных, слуховых или соматосенсорных. ВП состоит из комплекса последовательных позитивных (направленных вниз) и негативных (вверх направленных) отклонений потенциала мозга. Компоненты ВП с наименьшим периодом обусловлены афферентным возбуждением, поступающим по быстропроводящей системе через ядра таламуса (это первичный ответ). Компоненты ВП с наибольшим латентным периодом обусловлены неспецифическим афферентным притоком через ретикулярную формацию ствола неспецифичесского ядра таламуса (это вторичный ответ).

Методика ВП используется для объективного изучения сенсорных функций, процесса восприятия, проводящих путей мозга при патологических состояниях.
2). Раздражители, их классификация.

Раздражители бывают внешние и внутренние. Внешние раздражители действуют на рецепторы, расположенные на поверхности организма (экстерорецепторы). К внутренним - относят раздражители, воздействующие на внутренние (находящие в органах) рецепторы - интерорецепторы.

Качественная классификация раздражителей: Механические, Температурные, Химические, Звуковые, Световые, Болевые. Электрический ток - этот раздражитель наиболее адекватен в экспериментальных целях, т.к. не вызывает нагревания ткани и родственен процессам ткани.

 Количественная классификация раздражителей:

-Пороговые -  минимально необходимые для ответной реакции.

-Подпороговые - менее пороговых, они не вызывают ответной реакции.

-Над (или сверх) пороговые - выше пороговых, вызывают более сильную реакцию. (Понятие порога индивидуально и зависит от чувствительности организма, его функционального состояния).

 

 3). Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой, так называемые сложные липиды — фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») часть. При образовании мембран гидрофобные участки молекул будут обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. Мембраны — структуры инвариабельные, весьма сходные у разных организмов. Некоторое исключение составляют, пожалуй, археи, у которых мембраны образованы глицерином и терпеноидными спиртами. Толщина мембраны составляет 7-8 нм.

Биологическая мембрана включает  различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь),  полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.

Мембранный потенциал, его ионный механизм.

Для того, чтобы на мембране поддерживалась разность потенциалов необходимо определенное содержание различных ионов внутри и снаружи клетки. В 1902 г. Ю. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К+, и они накапливаются в цитоплазме. Расчет величины потенциала покоя по уравнению Нернста для калиевого электрода удовлетворительно совпал с измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около — 70 мВ. Согласно теории Ю. Бернштейна, при возбуждении клетки её мембрана повреждается, и ионы К+ вытекают из клетки по концентрационному градиенту до тех пор, пока потенциал мембраны не становится равным нулю. Затем мембрана восстанавливает свою целостность, и потенциал возвращается к уровню потенциала покоя. Это утверждение, относящееся скорее к потенциалу действия, было опровергнуто Ходжкином и Хаксли в 1939 году.

5). Способы регистрации биоэлектрических потенциалов на мембране (внеклеточное и внутриклеточное отведение)

Потенциал действия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей  он представляет собой электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны.

Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.

Измерить ПД можно двумя способами:

1. Внеклеточное отведение потенциала, т.е. помещение 2-х электродов непосредственно на мембрану. Фиксация заряда клеточной мембраны.

 2. Внутриклеточное отведение потенциалов, т.е. помещение одного электрода на поверхность мембраны, а другого – внутрь клетки. Фиксация разницы зарядов. Эти методы используются в основном в исследовательских целях. В медицинских целях подобная вещь – ЭЭГ (электроэнцефалограмма), т.е. запись спонтанной суммарной биоэлектроактивности коры головного мозга.

6). Местное возбуждение и его свойства.

Местный потенциал возникает при воздействии подпорогового раздражителя на клетку или орган. Постсинаптический потенциал (ПСП) - это временное изменение потенциала постсинаптической мембраны в ответ на сигнал, поступивший с пресинаптического нейрона. Различают возбудительный постсинаптический потенциал (ВПСП), обеспечивающий деполяризацию постсинаптической мембраны, и тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП), обеспечивающий гиперполяризацию постсинаптической мембраны. ВПСП приближает потенциал клетки к пороговому значению и облегчает возникновение потенциала действия, тогда как ТПСП, напротив, затрудняет возникновение потенциала действия. Отдельные ПСП обычно невелики по амплитуде и не вызывают потенциалов действия в постсинаптичекой клетке, однако в отличие от потенциалов действия они градуальны и могут суммироваться.

7). Возбудимость и возбуждение, их характеристика.

Возбудимость - это частное свойство раздражимости. Выражается в способности отвечать импульсом на действие раздражителя. Возбудимостью обладают нервная, железистая и мышечные (возбудимые) ткани. Различают специфические и неспецифические свойства. Раздражимость - общебиологическое свойство всех живых организмов отвечать на действия раздражителей соответствующей реакцией организма. Возбуждение - это процесс, связанный с формированием биопотенциала, которым нервная ткань отвечает на действия раздражителя.

 8). Пассивный и активный транспорт ионов через мембрану клетки (диффузия). Мембранный транспорт это транспорт веществ сквозь клеточную мембрану и из клеточной мембраны. Различают пассивный и активный транспорт. Пассивный: Транспорт веществ происходит против градиента концентрации. Не требует затраты энергии. При помощи такого транспорта через мембрану проходят гидрофобные вещества. Активный транспорт. Происходит по градиенту концентрации, при помощи белков-переносчиков. При таком транспорте задействуется энергия, получаемая при гидролизе АТФ.

9). Роль и природа Na+ - K+ Насоса.

Na+ - Ka+ Насос это важный механизм активного транспорта, связанного с разницей в градиенте концентрации Na+ и Ka+ вне и внутри клетки. Во время его работы происходит перенос 3-х положительно заряженных ионов натрия и двух положительно заряженных иона калия. При этом на мембране накапливается разность потенциалов. Также в калиево-натриевом насосе задействован ферент (АТФаза), который помогает расщиплять АТФ для получения энергии. Процесс происходит так:

1. Фермент изнутри клетки «забирает» три иона Na+, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат.

2.«Выбрасывает» ионы Na+ и присоединяет два иона K+ из внешней среды. 3. Отсоединяет фосфат, два иона K+ выбрасывает внутрь клетки.

Затем все повторяется. В итоге во внешней среде создается высокая концентрация натрия, а внутри клетки калия. Работа насоса создает разность концентраций и разность зарядов. На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, а на внутренней - отрицательный.

10). Волна возбуждения, характеристика ионных потоков Na+ и Ka+, обуславливающих фазы волны возбуждения.

Если на мембрану клетки оказывать ритмичное раздражение, может возникнуть волна возбуждения. Причина ее возникновения - изменение ионной проницаемости мембраны. Волна возбуждения характеризуется 5-ю фазами: а) медленная деполяризация, б) быстрая деполяризация, в) инверсия (смена заряда), г) быстрая реполяризация, д) медленная реполяризация. Волна возбуждения, перемещающаяся по мембране, называется потенциал действия (ПД). ПД возникает, если на мембрану действует раздражитель пороговой или надпороговой силы - в соответствии с законом "Все или ничего". ПД не возникает, если на мембрану действует потенциал меньше порогового. Подробнее фазы можно охарактеризовать так:

1. Медленная деполяризация. Na медленно входит в клетку (т.к. открыты не все белковые каналы), как только заряд мембраны достигнет -60 мВ (критическая точка), начнется быстрая деполяризация.

2. Быстрая деполяризация. Na быстро, лавинообразно входит в клетку. Быстрая деполяризация приводит к электронейтральности мембраны, заряд = 0 мВ.

3. Фаза инверсии. Наружная поверхность заряжена "-", а внутренняя "+". При достижении заряда на мембране 50-60 мВ изменяется проницаемость клеточной мембраны, она становится проницаема для К и непроницаема для Na.

4. Фаза реполяризации. Мембрана пропускает К. Его больше внутри, и он быстро выходит на поверхность. - гиперполяризация - увеличение поляризованности мембраны.