РАЗДРАЖИМОСТЬ – ОБЩЕЕ СВОЙСТВО ВСЕХ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ
Мера возбудимости – порог раздражения, т.е. минимальная сила раздражителя, вызывающая ответ. ВОЗБУЖДЕНИЕ – сложный биологический процесс, который характеризуется специфическим изменением обмена веществ, временной деполяризацией мембраны клеток и проявляющейся специализированной реакцией ткани.
РАЗДРАЖИТЕЛИ ПОДПОРОГОВЫЕ СВЕРХПОРОГОВЫЕ ПОРОГОВЫЕ
РАЗДРАЖИТЕЛИ ФИЗИЧЕСКИЕ (механические, звуковые, световые, температурные, электрические) ХИМИЧЕСКИЕ (щелочи, кислоты, гормоны, продукты обмена веществ) ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ (изменения осмотического давления, рН и т.п.)
РАЗДРАЖИТЕЛИ НЕАДЕКВАТНЫЕ АДЕКВАТНЫЕ
КРИВАЯ «СИЛА – ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» OA – реобаза ОС – полезное время OD – 2 реобазы OF – хронаксия
ПРОГРЕСС В ИССЛЕДОВАНИИ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ОБЕСПЕЧЕН РАЗРАБОТКОЙ МИКРОЭЛЕКТРОДНОГО МЕТОДА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ОТВЕДЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ СОЗДАНИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ ВЫБОРОМ УДАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
ДИАМЕТР гигантского аксона – 0,5 – 1 мм
Гигантский аксон кальмара в чашке Петри.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВОЗБУДИМЫХ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ 1) электроды для регистрации и стимуляции; 2) усилители биоэлектрических сигналов; 3) регистратор; 4) стимулятор; 5) система для обработки физиологической информации.
a - внутриклеточное раздражение и отведение потенциалов гигантского аксона кальмара при коаксиальном введении электродов. б - раздражение и отведение потенциалов от одиночного перехвата Ранвье, изолированного двумя воздушными промежутками ("мостиками"). Схемы методик, применяемых для различных нервных волокон, с целью исследования их электрогенеза
НЕПОЛЯРИЗУЮЩИЕСЯ ЭЛЕКТРОДЫ: хлорсеребряный электрод ХЛОРСЕРЕБРЯНЫЙ ЭЛЕКТРОД: серебряная пластинка (проволока), покрытая слоем малорастворимой соли серебра и опущенная в насыщенный раствор хлорида калия. Часто используется, т.к. имеет стабильный потенциал, а также простую конструкцию.
Микроэлектроды введены в практику в1946 американскими учёными Р. Джерардом и Дж. Лингом. Применяются для отведения электрических потенциалов от одиночного мышечного волокна или от отдельной клетки.
Микроэлектрод - тонкий стеклянный капилляр, кончик которого имеет диаметр около 1 мкм, заполненный солевым раствором с погруженным в него металлическим электродом. . Стеклянные микроэлектроды: А - одноканальный; Б - двухканальный; справа- кончик микроэлектрода около тела нейрона
Как только микроэлектрод прокалывает мембрану, луч осциллографа отклоняется вниз из своего исходного положения и устанавливается на новом уровне. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны.
Внутриклеточная регистрация трансмембранных потенциалов и электростимуляция клеточной мембраны А — схема установки для изучения электрических характеристик клеточных мембран; Б — момент введения микроэлектрода а клетку. 1 — стеклянный микроэлектрод для подачи тока; 2 — стеклянный микроэлектрод для регистрации реакции клеточной мембраны; 3 — электроды сравнения; 4 — измеритель величины раздражающего тока; 5 — усилитель; 6 — регистратор.
В лабораторных исследованиях используются металлические микроэлектроды с диаметром кончика порядка 1 мкм ; стеклянные микропипетки с диаметром кончика меньше 1 мкм, заполненные раствором электролита.
Метод пэтч-кламп (м етод локальной фиксации потенциала) введен в лабораторную практику Э. Неером и Б. Сакманом в 1976 г.
Клеточная мембрана формирует очень плотный контакт с поверхностью кончика микроэлектрода. Между стеклом и мембранным фрагментом возникает контакт, имеющий гигаомное сопротивление. В результате образуется электрически изолированный участок мембраны, и шум регистрирующего сигнала уменьшается на несколько порядков. К участку прикладывается напряжение и меряется возникший ионный ток.
ИЗМЕРЕНИЯ НА ПРИКРЕПЛЕННОЙ, НО НЕПОВРЕЖДЕННОЙ КЛЕТКЕ ИЗМЕРЕНИЯ НА ЦЕЛОЙ КЛЕТКЕ ПРИ РАЗРУШЕНИИ МЕМБРАНЫ В КОНЧИКЕ МИКРОПИПЕТКИ
Мембранная теория возбуждения: при раздражении возбудимой клетки в её поверхностной мембране происходит молекулярная перестройка, которая приводит к изменению проницаемости мембраны и появлению трансмембранных ионных токов.
Основные положения мембранной теории возбуждения сформулированы немецким нейрофизиологом Ю. Бернштейном (1902) ПОЛЯРИЗАЦИЯ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ В ПОКОЕ
Развитие мембранной теории возбуждения получило в трудах английских учёных: П. Бойла и Э. Конуэя (1941), А. Ходжкина, Б. Каца, А. Хаксли (1949). А. ХОДЖКИН А. Хаксли Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1963 г "За открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках мембраны нервных клеток"
Регистрация мембранного потенциала покоя А — микроэлектрод 1 еще не введен в нервное волокно; прибор показывает, что разность потенциалов у микроэлектрода и индифферентного электрода 2 равна нулю. Б — микроэлектрод введен в нервное волокно (прокол мембраны); он регистрирует постоянный отрицательный потенциал относительно внешнего раствора — мембранный потенциал покоя.
Потенциал покоя, механизм его формирования
Предположение Бернштейна: поверхностная мембрана возбудимой клетки в покое обладает избирательной проницаемостью: ионы K + проходят через неё гораздо легче, чем ионы Na + и Cl -. Т. к. концентрация K + в клетке выше, чем во внеклеточной среде, диффузия этих ионов через мембрану создаёт на ней разность потенциалов — потенциал покоя (ПП), причём внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной отрицательно, а внешняя — положительно.
Na+ Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Cl- c 2 c 1 + - ПОДВИЖНОСТЬ ИОНОВ ХЛОРА ( v ) ВЫШЕ, ЧЕМ ИОНОВ НАТРИЯ ( u )
c 2 c 1 Cl- Cl- К+ К+ МЕМБРАНА НЕ ПРОНИЦАЕМА ДЛЯ ИОНОВ ХЛОРА - +
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ РАВНОВЕСНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ: E Na =+35…+65 мВ E K = -70…-100 мВ
Возникновение электрохимического равновесия на полупроницаемой мембране. Диффузионное давление (1) в равновесии с противоположной электростатической силой (2), стремящейся удержать вместе ионы с противоположными зарядами
состояние равновесия наступает в результате диффузии лишь очень небольшого количества ионов (по сравнению с их общим содержанием); калиевый равновесный потенциал всегда больше (по абсолютному значению) реального потенциала покоя
Зависимость мембранного потенциала (МП) нервного волокна каракатицы от наружной концентрации К+(1) и величина МП, рассчитанная по уравнению Нернста для калиевого электрода (2)
Зависимость величины ПП от [K+] е (расчетная и экспериментальная кривые). По оси абсцисс – содержание калия во внешней среде в мМ, по оси ординат – величина мембранного потенциала в мВ.
Параметры Гигантский аксон Портняж - ная мышца Эритроциты человека Внутриклеточная концентрация (ммоль/л) Na + 78 13 19 K + 392 138 136 Cl - 104 2 78 Внеклеточная концентрация (ммоль/л) Na + 462 108 155 K + 22 2,5 5 Cl - 286 Равновесны й потенциал (мВ) E Na +45 +53 +55 E K -73 -101 -86 E Cl -44 -92 -9 Потенциал покоя (мВ) Е -60 -92 -6…-10
А - структуры мембраны, формирующие потенциал покоя Б - измерительная схема. В - потенциал покоя
А: мембрана клетки, канал утечки, Nа + -канал, К + -канал и -АТФаза, которая выкачивает ионы Na + из клетки против его электрохимического градиента, одновременно вводя ионы K + в клетку также против его электрохимического градиента. Каналы утечки, через которые осуществляется очень незначительный вход ионов Na+ в клетку и превышающий его в 100 раз выход ионов К+ из клетки. За счет каналов утечки и работы Na + /K + -АТФазы возникает негативный внутриклеточный потенциал мембраны клетки - потенциала покоя.
Здесь и далее индекс «е» относится к внешним концентрациям ионов, а индекс « i » - ко внутренним.
ПП гигантского аксона кальмара ( - 70 мВ) близок к его Е к ( - 75 мВ), но не равен ему. ПРИЧИНА: ПП формирует утечка и других ионов: Na +, Cl -. При этом поступление С l - в аксон, ( Еcl> - 70 мВ) повышает, a Na + понижает ПП (E Na =+55 M B).
Итоговая величина ПП, обусловленного переносом многих ионов может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана.
P K : P Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 Соотношение проницаемостей потенциалообразующих ионов в состоянии покоя
Вклад активного транспорта в формирование потенциала покоя
ПП складывается из Е конц и Е нас
РОЛЬ Na/K НАСОСА В ГЕНЕРАЦИИ ПП Поддержание высокой концентрации К + внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины ПП. Электрогенность насоса: вклад в ПП. Поддержание низкой концентрации Na+ внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает генерацию потенциала действия, с другой — обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки.
