Ионный механизм потенциала действия.

МИКРОЭЛЕКТРОДНАЯ ТЕХНИКА.

(внутриклеточная регистрация биопотенциалов).

Микроэлектрод – стеклянная микропипетка, заполненная раствором электролита. Диаметр кончика 0, 5 мкм позволяет ввести электрод внутрь клетки, не нарушая ее функции. Второй электрод – в питающий раствор с исследуемой тканью. Электроды соединяются с согласующим устройством, потом на усилитель постоянного тока. В качестве регистратора используется осциллограф.

 

     В момент прокола мембраны клетки электродом на экране осциллографа происходит резкое смещение нулевого уровня книзу. Мембрана поляризована. Зарегистрированная разность потенциалов получила название потенциала покоя или мембранного потенциала.

     Смещение мембранного потенциала кверху - деполяризация;

 

 

Смещение мембранного потенциала книзу – гиперполяризация.

 

 

Величина мембранного потенциала отличается у клеток разных тканей:

нервные клетки 60 – 80 мВ

скелетная мышца – 80 – 90 мВ

сердечная мышца 90 – 95 мВ

 

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ.

Теория, объясняющая происхождение мембранного потенциала, базируется на двух основных положениях:

1. Мембрана избирательно проницаема для различных ионов. В состоянии покоя мембрана проницаема для катионов и практически непроницаема для анионов. В покое проницаемость для ионов калиягораздо выше, чем для ионов натрия.

2. В мембране имеется биохимический механизм, получивший название “натриевого насоса” - натрий-калиевая АТФ-аза, обеспечивающий активный транспорт ионов калия внутрь клетки, а ионов натрия наружу.

В состоянии покоя в цитоплазме клетки ионов натрия в 10 раз меньше, чем снаружи, а ионов калия в 50 раз больше, чем снаружи.

 

Это состояние поддерживается работой насоса. Работает насос против градиента концентрации с затратой энергии.

     В покое мембрана имеет более высокую проницаемость для ионов калия, чем для ионов натрия и тем более анионов, внутри клетки. По закону осмоса, несмотря на работу насоса, калий стремится выйти из клетки, а анионы не могут последовать за ним, что приводит к разделению зарядов и появлению на мембране потенциала, отрицательного внутри и положительного снаружи.

     Величина мембранного потенциала зависит от концентрации ионов калия внутри клетки и снаружи и может быть вычислена на основе законов физической химии (уравнение Нернста и уравнение Гольдмана – Ходжкина – Катца).

     Работа натриевого насоса при гидролизе одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и поглощением двух ионов калия.Поскольку при этом перенос зарядов не скомпенсирован, то в результате функционирования АТФ – азы на мембране клетки разность потенциалов суммируется.

     Кроме того, в создании отрицательного заряда принимают участие и белковые молекулы протоплазмы клетки.

     При неизменном функциональном состоянии клетки величина мембранного потенциала не изменяется. Поддержание постоянной его величины обеспечивается нормальным протеканием клеточного метаболизма.

     При нанесении на клетку, в которой находится микроэлектрод, допороговых стимулов, можно зарегистрировать уменьшение мембранного потенциала, которое обратимо (быстро проходит) и зависит от силы стимула, но до определенного уровня.

     Ответы клетки при действии на нее допороговых раздражений могут суммироваться.

     При достижении мембранным потенциалом уровня (20-30% от величины мембранного потенциала) возникает резкое колебание мембранного потенциала, получившее название потенциала действия или спайк или пик – потенциал. УКД. И как бы мы дальше не увеличивали силу раздражения, амплитуда потенциала действия уже не изменится (закон “все или ничего”).

     Все изменения мембранного потенциала до уровня критической деполяризации отображают местный процесс возбуждения, нераспространяющееся возбуждение или локальный ответ.

     Потенциал действия – это всегда распространяющееся возбуждение.

 

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ.

Показатель возбудимости – порого раздражения.

Порог раздражения - это та наименьшая величина раздражителя, которая способна вызывать возбуждение. Чем ниже порог, тем выше возбудимость и наоборот.

Раздражитель –фактор окружающей или внутренней среды, изменяющий состояние возбудимых структур.

Раздражители могут быть:

1. Адекватные(специфические)

2. Неадекватные (неспецифические)

Адекватный – раздражитель, действующий на биологическую структуру, специально приспособленную для взаимодействия с ним.

Неадекватный – раздражитель, действующий на биологическую структуру, специально не приспособленную для его восприятия.

Порог раздражения для неадекватных раздражителей всегда несоизмеримо больше, чем для адекватных.

     В физиологическом эксперименте широко используются различные раздражители, но наиболее удобно раздражение электрическим током:

- действуют при малой силе (не вредит)

- можно быстро начать и прекратить

- легко дозировать по силе, длительности, ритму.

В потенциале действия (ПД) различают пик и следовые потенциалы. Восходящая часть пика – деполяризация, нисходящая – реполяризация.

     ОВЕРШУТ– перезарядка мембраны или перескок – основная причина распространения возбуждения.

Именно эти овершуты, перескоки ПД и регистрировал в своих экспериментах Эмиль Дюбуа Реймон.

 

СЛЕДОВЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ:

1. Отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация);

2. Положительный следовый потенциал (следовая гиперполяризация).

Амплитуда потенциала действия:

Нервные клетки 110 –100 мВ

Скелетные и сердечные мышцы 110 – 120 мВ.

Продолжительность потенциалов действия:

Нервные клетки 1 –2 мс

Скелетные мышцы 3 – 5 мс

Мышцы сердца 50 –600 мс.

     Если потенциал покоя присущ всем живым клеткам без исключения, то потенциал действия характерен в основном для нервных и мышечных клеток.

ПД – электрофизиологический показатель возникновения процесса возбуждения; - обеспечивает распространение возбуждения по мембранам нервных и мышечных клеток (обладает способностью к самораспространению).

Местное возбуждение (локальный ответ):

1. Ответ на допороговые раздражители

2. Медленная деполяризация

3. Амплитуда 20 мВ

4. Способность к суммации

5. На высоте возбуждения возбудимость повышена

6. Зависимость от силы раздражителя или от квантов медиатора (градуальная деполяризация)

7. Не подчиняется закону “все или ничего”

8. Нет специфической реакции.

Распространяющееся возбуждение (потенциал действия):

1. Ответ на пороговые и сверхпороговые стимулы

2. Быстрая деполяризация

3. Амплитуда 100 – 120 мВ

4. Суммация невозможна

5. На высоте возбуждения возбудимость отсутствует

6. Подчиняется закону “все или ничего”

7. Вызывает специфическую реакцию.

     Возникновение ПД связано с изменением проницаемости клеточной мембраны при ее возбуждении. При снижении мембранного потенциаладо некоторого критического уровня открываются натриевые каналы и ионы натрия по градиенту концентрации, без затрат энергии устремляются внутрь клетки, обусловливая фазу деполяризации потенциала действия. Уровень мембранного потенциала падает до нуля, а затем происходит перезарядка мембраны (овершут).

     Деполяризация и увеличение входа ионов натрия после достижения уровня критической деполяризации взаимообусловлены. Чем больше деполяризация, тем больше проницаемость для натрия. Чем больше натрия входит в клетку, тем больше деполяризация.

     Этот лавинообразный поток ионов натрия внутрь клетки продолжается до момента перезарядки мембраны. Во время овершута (перескока) наступает резкое снижение проницаемости для натрия (натриевая инактивация), но резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия, которые по градиенту концентрации без затрат энергии, выходят из клетки, компенсируя вошедшие положительно заряженные ионы натрия и обусловливая возвращение мембранного потенциала на исходный уровень (фаза реполяризации).

     Таким образом, по заряду (потенциалу) клетка вернулась на исходный уровень, а ионный состав ее нарушен. Внутри увеличилось количество ионов натрия, а снаружи увеличилось количество ионов калия. Это именно та ситуация, когда натриевый насос работает наиболее активно, восстанавливая ионное равновесие (точнее ионное неравновесие) клетки.

     Порог раздражения - та критическая величина деполяризации клеточной мембраны, при котором активируется перенос ионов натрия внутрь клетки.

     Возникновение потенциала действия связано в основном с движением ионов натрия внутрь. Поэтому ПД считают “натриевым потенциалом”, в отличие от потенциала покоя, который считается в основном “калиевым”.

     В тканях и органах потенциалы действия отдельных, синхронно или асинхронно работающих клеток могут суммироваться с помощью специальных приборов (внеклеточная регистрация):

- электрокардиография

- электромиография

- электроэнцефалография

- электрогастрография.

Суммарные биопотенциалы различных органов отражают их функциональное состояние.