Тема: Биоэлектрические потенциалы

ЛЕКЦИЯ №3.

План.

1) Потенциал покоя в клетках.

2) Потенциал действия.

3) Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна.

Литература:

1)Антонов В. Ф. Биофизика. Учебник для вузов. М.: Владос, 2000

2) Антонов В. Ф. Биофизика мембран//

Соровский образовательный журнал.-1997.-Т-6, 14

3) Кленчин В.А.Биологические мембраны.-1993.-Т.10.-с.5-19.

Генерация и распространение электрических потенциалов, является важнейшим физическим явлением в живых клетках и тканях, которое лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, мышечного сокращения, работы нервной системы.

В клетках и тканях в процессе жизнедеятельности возникают электрические потенциалы:

1. окислительно-восстановительные – вследствие переноса от одних молекул к другим;

2. мембранные – вследствие градиента концентрации ионов и переноса через мембрану.

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны. Мембранные потенциалы делятся на потенциал покоя и потенциал действия.

Потенциал покоя – это, когда в нормально функционирующей живой клетке находящейся в невозбужденном состоянии регистрируется разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Возникновение потенциала покоя связано с неравенством концентрации ионов внутри клетки и в окружающей среде, а также неодинаковой проницаемостью клеточных мембран для разных ионов. Если концентрация какого – либо иона внутри клетки отличается от концентрации этого иона снаружи клетки и мембрана проницаема для этого иона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки.

В состоянии покоя Na+ и К+ каналы закрыты. Натриевый насос работает непрерывно, компенсируя утечку ионов по градиентам их концентраций. Разность концентраций ионов Na+ и К + по сторонам мембраны, образуемая натриевым насосом влияет на распределение и других ионов.

Возникновение и поддержание потенциала покоя, представляет собой активный саморегулирующий процесс, для обеспечения которого требуются затраты энергии. При этом, чем больше поляризована мембрана, тем выше этот потенциал. В одной и той же клетке потенциал покоя изменяется незначительно. Сохранение устойчивого значения потенциала покоя, свойственного данной клетке — является одним из важнейших показателей ее физиологического состояния. Резкое снижение этого потенциала – показатель ухудшения состояния клетки, возникновение патологических изменений, при котором происходит неспецифическое повышение проницаемости клеточных мембран, в результате чего наблюдается различие в коэффициентах проницаемости для ионов К+ и Na+.

Потенциалом действия – называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер временных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражителя.

Если на клетку действует слабый раздражитель, то смещение мембранного потенциала происходит на короткое время. Возникает местная деполяризация, затем восстанавливается потенциал покоя. При действии на клетку различных раздражителей, достигших критического уровня, мембранный потенциал начинает уменьшаться, сдвигается заряд мембраны и происходит деполяризация мембраны и возникает потенциал действия. Белковые молекулы – образующие ворота, изменяют положение Na канала и ворота для натрия приоткрываются. Na – каналы, открываются раньше, чем К, и их пропускная способность выше.

1) потенциал покоя

2) возникновение потенциала (действия фаза нарастания)

Проникая внутрь, клетки ионы Na+ понижают положительный заряд у внутренней поверхности мембраны и тем самым увеличивают положительный заряд у внутренней поверхности. В результате у наружной поверхности мембраны положительный заряд становится отрицательным, а у внутренней поверхности, отрицательный становится положительным: происходит перезарядка

3)инверсия мембранного потенциала. Происходит перескок через ноль, но перескок небольшой (овершут)

Затем наступает Na— инактивация – закрытие Na – каналов и уменьшение движения ионов натрия в клетку и возрастает проницаемость мембраны для иона К+ и они в большом количестве выходят из клетки на наружную поверхность мембраны.

4) реверсия— когда мембрана утрачивает полярность.

5) восстанавливается прежняя полярность мембраны, в результате – у наружной поверхности мембраны – создается положительный заряд, а у внутренней – отрицательный. Все это происходит за счет пассивного переноса ионов по градиенту концентрации.

6) реполяризация замедляется, за счет того, что замедляется выход ионов К+ и восстанавливается исходный мембранный потенциал. В результате избыточного выхода ионов К+ наружу, происходит увеличение заряда мембраны и происходит период

7) гиперполяризация.

Для возникновения потенциала действия и местного потенциала обязательно присутствие катионов кальция во внеклекточной среде.

Вторая часть кривой – следовые потенциалы.

4)-6) – нисходящее колено, или реполяризация, происходит медленнее- 0,5-5,5 милисекунд. Общая продолжительность потенциала действия 1-5 милисекунд.

После снятия возбуждения еще в течении 1-3 милисекунды в мембране наблюдаются остаточные явления, во время которых мембрана рефрактерна, 8) деполяризационный потенциал (невозбудима).

Свойства потенциала действия:

1. наличие порогового значения деполяризующего потенциала.

2. закон «все или ничего», если деполяризующий потенциал больше порогового – то развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой.

3. есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения.

4. в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны

Можно менять амплитуду импульса потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде. Если из окружающей среды полностью удалить натрий, потенциал действия вообще не возникает.

Избирательное изменение ионной проницаемости возбужденной мембраны: сначала для натрия, а потом для калия – объясняется тем, что в мембране имеются специальные ионные каналы отдельно натриевые и калиевые, которые открываются и закрываются во время прохождения через данный участок мембраны нервного импульса. Открытие и закрытие ионных каналов вызывается изменением мембранного потенциала.

Существуют вещества, блокирующие ионные потоки через мембрану. Поступление натрия внутрь клетки блокирует — тетродотоксин, в результате чего нарушается передача нервного импульса. Ингибиторы кальциевых каналов – тетраэтиламмоний и ионы церия.