Виртуальный физиологический эксперимент. Измерение ионных токов методом фиксации потенциала на клетке при возбуждении

Необходимо: компьютер, компьютерная программа «Ионные токи».

Учебно-исследовательская цель работы: изучить на компьютерной моделидинамику ионных токов в условиях фиксации мембранного потенциала при возбуждении мембраны нервного волокна.

Ход работы

1. Запустите программу.

2. После запуска программа запрашивает температуру раствора – «Т?». Рекомендуемая температура 37 ^оС. Набрав значение температуры, нажмите клавишу «Enter». В определенных пределах (37 ± 5 ^оС) температуру можно варьировать, что будет отражаться на значении потенциала покоя. Однако за указанные пределы выходить не следует – программа будет действовать согласно уравнению Нернста, не учитывая фазовых переходов мембраны и денатурации белков, и Вы получите неверные результаты.

3. Далее программа запрашивает концентрации основных потенциалов образующих ионов (калий и натрий) внутри клетки (i) и во внеклеточной жидкости (e). После каждого запроса вводите величину концентрации в миллимолях и нажимайте клавишу «Enter». Рекомендуемые величины:

- Ck_i – 120.

- Ck_e – 5.9 (после этого на экран будет выведено значение равновесного потенциала для калия).

- CNa_i – 2.5.

- CNa_e – 120.4 (после этого на экран будут выведены значения равновесного потенциала для натрия и потенциала покоя).

4. Программа запросит, будут ли заданы параметры фиксации потенциала («Y/N»). Следует ввести «Y».

5. Программа запросит значение потенциала фиксации (в мВ). Введите значение потенциала фиксации – 30 мВ.

6. После ввода значения программа начнет работу. На экран выводятся координатные оси и динамика ионного тока во времени. Можно зафиксировать его пиковое значение, оценить кинетику активации и инактивации, инактивирующуюся и неинактивирующуюся компоненты.

7. Закончив регистрацию, зарисуйте в отчетах результаты эксперимента и нажмите любую буквенную клавишу или пробел. Следующий эксперимент начните с выполнения пункта 1.

 

Задание № 1. Исследование кинетики ионного тока при возбуждении

Учебно-исследовательская цель задания: изучить кинетику ионных токов в зависимости от величины потенциала фиксации.

Ход работы

1. Температуру раствора установите на 37 ^оС.

2. Значение внутри- и внеклеточных концентраций ионов установите, как указано в пункте 3 выполнения работы.

3. Значение потенциала фиксации устанавливайте на уровне от -30 до +10 мВ (с интервалом 10 мВ).

4. Зарисуйте динамику ионных токов при данных величинах фиксации. Оцените амплитуду и длительность фаз, скорость активации и инактивации, вклад инактивирующейся и неинактивирующейся компонент.

5. Сделайте выводы.

 

Задание № 2. Снятие вольт-амперной характеристики мембраны

Учебно-исследовательская цель задания: изучить выпрямляющие свойства мембраны нервного волокна в условиях фиксации мембранного потенциала.

Ход работы

1. Выполните пункты 1 и 2 первого задания.

2. Увеличивая амплитуду фиксации от значения потенциала покоя, измерьте максимальные значения ионного тока. Рекомендуемая градация значений потенциала фиксации: -54, -34, -14, -4, +1, 2.5, 3, 3.5, 10, 20, 25, 45, 65, 80, 100 мВ.

3. Постройте вольт-амперную характеристику. Исследуйте выпрямляющие свойства мембраны. Зарегистрируйте в своих отчетах инверсию входящего тока при значительной деполяризации мембраны. Оцените выявленные изменения и постройте график.

4. Сделайте соответствующие выводы.

Задание № 3. Изучение роли калиевой и натриевой проводимости мембраны при возбуждении

Учебно-исследовательская цель задания: изучить роль ионов внеклеточного натрия и внутриклеточного калия в динамике ионных токов при возбуждении.

Ход работы

1. Температуру раствора установите на 37 °С.

2. Значение внутри- и внеклеточных концентраций калия установите, как указано в пункте 2; концентрацию натрия во внешнем растворе уравняйте с внутриклеточной концентрацией (в этих условиях Вы регистрируете только калиевый ток).

3. Выполните пункты 2 и 3 второго задания.

4. Значение внутри- и внеклеточных концентраций натрия установите, как указано в пункте 2; концентрацию калия внутри клетки уравняйте с внеклеточной концентрацией (в этих условиях Вы регистрируете только натриевый ток).

5. Выполните пункты 2 и 3 второго задания.

6. Сделайте выводы.

 

Задание № 4. Исследование влияния температуры на ионный ток

Учебно-исследовательская цель задания: изучить роль температуры в кинетике ионных токов при возбуждении.

Ход работы

1. Значение температуры варьируйте от 32 до 42 ^оС (с  интервалом 2 ^оС).

2. Значение внутри- и внеклеточных концентраций ионов установите, как указано в пункте 2 первого задания.

3. Оцените зависимость потенциала покоя от температуры.

4. Значение фиксации потенциала установите на уровне +10 мВ.

5. Зарегистрируйте динамику ионного тока при различных температурах в своих отчетах. Оцените выявленные изменения.

6. Сделайте соответствующие выводы.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные методы регистрации потенциала действия.

2. Объясните механизм потенциала действия и динамику ионных токов при возбуждении с точки зрения ионно-мембранной теории.

3. Нарисуйте схему потенциала действия и обозначьте его фазы.

4. Зависит ли величина потенциала действия от силы раздражения?

5. Какова роль калий-натриевого насоса в генерации биоэлектрических явлений на уровне клеток? Механизм его функционирования.

6. Перечислите фазы возбуждения. Как изменяется возбудимость в различные фазы потенциала действия?

7. Что такое аккомодация ткани?

8. Что такое локальный ответ, чем он обусловлен, каковы его свойства?

9. Сравните локальный ответ с импульсным возбуждением.

10. Что такое следовой потенциал? Какова зависимость от вида следового потенциала?

11. Поясните физиологический смысл закона «всё или ничего».

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выберите один или несколько правильных ответов.

1. ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ В ВОЗБУДИМЫХ КЛЕТКАХ СОЗДАЕТСЯ ПОТОКОМ

1) ионов калия из клетки

2) ионов натрия из клетки

3) ионов кальция в клетку

4) ионов хлора из клетки

5) органических анионов из клетки

2. КРИТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ МЕМБРАНЫ ВОЗБУДИМОЙ КЛЕТКИ

1) определяется силой раздражителя

2) зависит от места расположения раздражающих электродов

3) это уровень заряда мембраны, от которого начинается генерация локального ответа

4) это потенциал мембраны, от которого начинается генерация потенциала действия

3. ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ СОСТАВЛЯЕТ

1) около 1 мс

2) менее 0,01 мс

3) 100 мс

4. ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ВО ВРЕМЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО РЕФРАКТЕРНОГО ПЕРИОДА НЕОБХОДИМ

1) стимул большей амплитуды по сравнению с нормой

2) стимул меньшей амплитуды по сравнению с нормой

3) длительный подпороговый стимул

5. В ФАЗУ СЛЕДОВОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ПОРОГ РАЗДРАЖЕНИЯ

1) не изменен

2) повышен

3) понижен

СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ

 

Задача № 1. Известно, что ионные каналы мембраны возбуди­мой клетки регулируют амплитуду мембранных потенциалов. Экспериментально было обнаружено, что яд тетродотоксин блокирует натриевые каналы мембраны возбудимой клетки.

Указать, как изменится при этом потенциал действия нервного волокна?

Задача № 2. Под влиянием клинических факторов в мембране клеток увеличилось число калиевых каналов, которые могут активироваться при генерации потенциала действия клетки.

Объяснить, как и почему это скажется на параметрах потенциала действия клетки?

Задача № 3. У больного наблюдается значительное понижение количества ионов натрия в крови.

Объяснить, как по вашему мнению это отразится на величине потенциала действия нервных волокон?

Задача № 4. Под влиянием местного анестетика в мембране клетки увеличилось число инактивированных натриевых каналов.

Определить, как и почему это скажется на параметрах потенциалов действия, возникающих в клетке?

 

Задача № 5. При ухудшении кровоснабжения миокарда в межклеточной жидкости повышается концентрация ионов калия.

Определить, как и почему это скажется на генерации потенциалов действия в клетках миокарда?

ЗАНЯТИЕ № 4

Физиология нервного волокна. Исследование механизмов электрического раздражения и проведения возбуждения по нервным волокнам и через синапс. Законы действия постоянного тока. Строение и классификация синапсов в центральной нервной системе. Физиология синаптической передачи

 

Учебно-исследовательская цель занятия:

1. Исследование механизмов электрического раздражения и проведения возбуждения по нервным и мышечным волокнам и через синапс.

2. Проведение возбуждения по нервным волокнам.

3. Действие постоянного тока на возбудимые ткани.

4. Парабиоз.

5. Синапс и синаптическая передача.

Вопросы для самоподготовки

1. Механизмы проведения возбуждения по нервным и мышечным волокнам. Особенности проведения возбуждения по миелинизированным нервным волокнам.

2. Факторы, определяющие скорость проведения возбуждения. Фактор надежности.

3. Классификация нервных волокон в зависимости от диаметра.

4. Законы проведения возбуждения по нервным и мышечным волокнам, их значение для передачи информации.

5. Потенциал действия нервного ствола и мышцы, механизм их формирования, отличительные физические и физиологические характеристики. Представление об электромиограмме и электронейрограмме.

6. Электрический ток как адекватный раздражитель возбудимых клеток. Параметры электрических импульсов.

7. Электротонические потенциалы и локальный ответ.

8. Значение параметров электрических импульсов для возникновения в клетке распространяющегося возбуждения. Явление аккомодации.

9. Парабиоз нерва, его фазы и причины возникновения.

10. Измерение возбудимости клеток, нервов и мышц по пороговой силе или пороговому напряжению раздражающего тока.

11. Механизмы и закономерности проведения возбуждения через нервно-мышечный синапс. Медиаторы, мембранные циторецепторы и блокаторы нервно-мышечных синапсов.

ДЕМОНСТРАЦИИ

Учебные видеофильмы: «Оптимум частоты и силы раздражения», «Синапс».

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

РАБОТА № 1