Лекция 9 БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ

План лекции 1.Краткая характеристика биопотенциалов. 2.Виды потенциалы. 3.Доннановское равновесие, его значение. 4.Уравнение Нернста для мембранного потенциала. 5.Особенности ионной проницаемости клеточной мембраны. 6.Уравнение Гольдмана. Уравнение Томаса. 7. Физическая характеристика ионных каналов. 8.Потенциал покоя и потенциал действия. 9.Физический механизм деполяризации и реполяризации мембраны. 10.Уравнение Нернста и Ходжкина-Хаксли для потенциала действия.

Генерация и распространение биоэлектрических потенциалов- важнейшее физическое явление в живых клетках и тканях, которое лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения.

Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные несимметричным, неравномерным распределением ионов.

Потенциалы Диффузионный Мембранный Фазовый Электродный

Диффузионный потенциал возникает на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов.

Диффузионный потенциал находится из уравнения Гендерсона Диффузионный потенциал находится из уравнения Гендерсона Где U – подвижность катионов V – подвижность анионов R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура n – валентность F – число Фарадея а 1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия а 2 – активность ионов в области, куда идет диффузия

Мембранный потенциал возникает на границе раздела полупроницаемой мембраны, имеющей фиксированный отрицательный заряд – катионобменная мембрана.

Мембранный потенциал находится из уравнения Нернста Где R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура n – валентность F – число Фарадея а 1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия а 2 – активность ионов в области, куда идет диффузия

Фазовые потенциалы возникают на границе раздела двух несмешивающихся фаз.

Электродный потенциал возникает в результате диффузии ионов из электрода в раствор электролита.

Уравнение электродного потенциала Где R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура n – валентность F – число Фарадея К – константа, которая определяется природой вещества и концентрацией раствора С х – концентрация ионов в электроде С р-ра - концентрация ионов в растворе электролита

Доннановское равновесие устанавливается между клетками и окружающей средой, если клеточная мембрана хорошо проницаема для неорганических ионов, но непроницаема для белков, нуклеиновых кислот и других крупных органических молекул. Доннановское равновесие наиболее характерно для мертвых клеток или для клеток с ослабленным метаболизмом. Доннановское равновесие устанавливается между клетками и окружающей средой, если клеточная мембрана хорошо проницаема для неорганических ионов, но непроницаема для белков, нуклеиновых кислот и других крупных органических молекул. Доннановское равновесие наиболее характерно для мертвых клеток или для клеток с ослабленным метаболизмом.

В основе вывода уравнения лежит условие электронейтральности, т.е. равенства суммарной концентрации анионов Cl - и катионов К + как внутри клетки: В основе вывода уравнения лежит условие электронейтральности, т.е. равенства суммарной концентрации анионов Cl - и катионов К + как внутри клетки: так и снаружи: так и снаружи: тогда тогда В клетках распределение хлора обеспечивается равновесием Доннана. В клетках распределение хлора обеспечивается равновесием Доннана. Вывод уравнения Доннана

В 1902 году Бернштейном была выдвинута мембранная теория биопотенциалов. В х годах была развита и экспериментально доказана А. Ходжкиным и А. Ф. Хаксли.

Сущность мембранной теории биопотенциалов Потенциал покоя и потенциал действия является по своей природе мембранными потенциалами, обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и средой, которое поддерживается механизмами активного транспорта, локализованные в самой мембране. Потенциал покоя и потенциал действия является по своей природе мембранными потенциалами, обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и средой, которое поддерживается механизмами активного транспорта, локализованные в самой мембране.

Регистрация биопотенциалов при помощи микроэлектродного метода Ø 2-3 мкм Ø 0,1-0,5 мкм KCl клетка Стеклянный микроэлектродСхема регистрации мембранного потенциала

Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Мембранный потенциал Потенциал покоя Потенциал действия

Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемых между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя Концентрация, ммоль/л [K + ] [Na + ] [Cl - ] вн.нар.вн.нар.вн.нар

Потенциал покоя

Уравнение Нернста для потенциала покоя

Уравнение Гольдмана для потенциала покоя

Отношение коэффициентов проницаемости для состояния покоя P К : Р Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45

С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было получено уравнение Томаса (1972 г.) Где m =3/2 - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых Na + - K + -насосом. Где m =3/2 - отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых Na + - K + -насосом.

Физическая характеристика ионных каналов выражается в следующих свойствах: 1.С елективность 2.Н езависимость работы отдельных каналов 3.Д искретный характер проводимости 4.З ависимость параметров каналов от мембранного потенциала

Селективность Селективностью называют Селективностью называют способность ионных каналов избира- тельно пропускать ионы какого- либо одного типа. Ионные каналы обладают Ионные каналы обладают Абсолютной селективностью по отношению к катионам либо к анионам, т.е. пропускает ионы одного вида.

Независимость работы отдельных каналов Прохождение тока через отдельный Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли Ток ионов через другие каналы. Например, К + -каналы могут быть Например, К + -каналы могут быть включены или выключены, но ток через Na + -каналы не меняется. Изменение проницаемости ионных каналов меняет мембранный потенциал.

Дискретный характер проводимости Проводимость ионного канала дискретна и он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом. Переходы между этими состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Сдвиг мембранного потенциала выше порогового значения увеличивает вероятность открытия каналов, т.е. идет процесс их активации. Проводимость ионного канала дискретна и он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом. Переходы между этими состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Сдвиг мембранного потенциала выше порогового значения увеличивает вероятность открытия каналов, т.е. идет процесс их активации.

Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например К + -каналы и Na + - каналы. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион-селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрического поля. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например К + -каналы и Na + - каналы. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион-селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрического поля.

Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания и закрывания ворот. При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания и закрывания ворот. При деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода При деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние и открытие большего числа каналов. натриевого канала в проводящее состояние и открытие большего числа каналов.

Схема строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе натриевый канал

Потенциалом действия называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Возбудимость – это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся через совокупность физических, физико- химических процессов и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны.

Потенциал действия

Физический механизм деполяризации Увеличение проницаемости для Na + Вход Na + в клетку Деполяризация мембраны

Отношение коэффициентов проницаемости ионов для фазы деполяризации P К : Р Na : P Cl = 1 : 20 : 0,45

Потенциал действия

Физический механизм реполяризации Выход К + в среду Уменьшение потока Na + в клетку Реполяризация мембраны

Формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположно направленный поток ионов калия обуславливает восстановление исходного потенциала покоя.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ Е 1 – потенциал покоя Е 2 – мембранный потенциал при возбуждении Е 3 – потенциал действия

Уравнение Нернста для потенциала действия

Уравнение Ходжкина-Хаксли, описывающее мембранный потенциал, который складывается из потенциала покоя и потенциала действия