Лекция

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО МЕХАНИЗМЫ.

План лекции.

1. История открытия биоэлектричества. Токи покоя и действия.

2. Мембранный потенциал покоя. Методы регистрации.

3. Природа мембранного потенциала покоя.

4. Изменение мембранного потенциала при возбуждении (потенциал действия (ПД)).

5. Сравнительная характеристика ЛО и ПД.

6. Современные представления о механизме ПД.

7. Потенциал действия и возбудимости клетки.

1. Первые научные работы, направленные на изучение «животного электричества», датированы серединой 18 столетия и связаны с изучением электрических органов морских животных (электрический скат, некоторые глубоководные рыбы). Все эти исследования подготовили благоприятную почву для работ Л.Гальвани, который считается основателем электрофизиологии. Само открытие «животного электричества» у лягушек связано с так называемым «балконным опытом» (1786). Должен отметить, что на первом этапе своей научной карьеры Л.Гальвани изучал влияние различных по природе электрических разрядов на нервно-мышечный препарат и препарат задних лапок лягушек. При подготовке эксперимента он обнаружил любопытное явление: касание препарата задних лапок лягушки, висящего на медном крючке, железных прутьев балкона, сопровождалось сокращением мышц. Исследователь предположил, что между мышечной и нервной тканью препарата существует разность потенциалов: сокращение мышц происходит в результате замыкания электрической цепи, где медный крючок и железный прут выступают в роли проводников. Современник Л.Гальвани известный физик А.Вольта трактовал это явление как результат возникновения постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных металлов. В роли проводника, по его мнению, выступал препарат. Сегодня мы знаем, что в данном конкретном случае был прав А.Вольта, однако, дальнейшими экспериментами Л.Гальвани и его ученики доказали, что «животное электричество» существует (второй опыт Л.Гальвани с исключением контакта разнородных металлов, опыт К.Маттеуччи с двумя нервно-мышечными препаратами, один из которых при возбуждении электрическим током служил источником возбуждения для другого).

Второй исторический этап развития электрофизиологии связывают с именем выдающегося немецкого физиолога Эмиля Дю Буа-Реймона. В 1841 он показал, что при замыкании измерительной электрической цепи между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, можно зарегистрировать электрический ток, названный им «током покоя». При возбуждении мышцы величина величина «тока покоя» уменьшалась. Это колебание «тока покоя» он назвал «током действия». Опыт Э.Дю Буа-Реймона позволял предположить, что между поверхностью мышечной клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов. Действительно, при пересечении мышцы мы обеспечиваем в эксперименте доступ к протоплазме мышечных клеток, а помещая в этот участок электрод и соединяя его с гальванометром, второй вход которого соединен с неповрежденным участком, экспериментатор оценивает разность потенциалов между указанными точками. Развитие электрофизиологии в 40-50 годы нашего столетия подтвердило это предположение.

2. Современная материально-техническая электрофизиологическая база позволяет осуществить регистрацию разности потенциалов в покоящейся возбудимой клетке. Для этого необходимы: микроэлектроды с сечением 0,5 мкм (металлические или стеклянные), усилитель постоянного тока и осциллограф (см.схему 1). Один из микроэлектродов вводится внутрь клетки, а другой помещается на ее поверхность. Электроды соединяются со входами усилителя, выходы которого подаются на вход осциллографа (рис.1).

  УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОСЦИЛЛОГРАФ

ВОЗБУДИМАЯ

КЛЕТКА

Рис.1. Схема экспериментальной установки для регистрации МПП.

На экране осциллографа разность потенциалов между поверхностью мембраны клетки и ее протоплазмой отражается смещением луча от изолинии, причем чем больше это отклонение, тем больше величина разности потенциалов.

3. Первую гипотезу в отношении природы МПП высказал Э.Дю Буа-Реймон, предположивший, что разность потенциалов создается молекулами, встроенными в мембрану клеток и имеющими электростатические заряды на полюсах (дипольная гипотеза). Однако, эта гипотеза не была подтверждена экспериментально и сегодня представляет лишь исторический интерес.

Дальнейшее развитие представлений в области биоэлектричества связано с именем В.Ю.Чаговца, высказавшем гипотезу об ионной природе этих явлений (1896). В частности, он считал, что в процессе жизнедеятельности клеток синтезируются различные органические кислоты, которые согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса в водной фазе протоплазмы клеток диссоциируют на ионы водорода и анионы. Положительно заряженные ионы водорода более подвижны, чем анионы, в связи с чем они выходят на поверхность клеток, формируя положительный заряд на них. Анионы же остаются в протоплазме и формируют ее электроотрицательность. Однако, эта гипотеза не нашла своего подтверждения: при таком механизме формированияразности потенциалов в клетках рН межклеточной жидкости должна быть кислой, тогда как в реальности она нейтральная. Кроме того абсолютное значение разности потенциалов, согласно этой гипотезе, должно быть меньшей, чем установлено экспериментально. На следующем этапе изучения электрогенеза в тканях возникла классическая мембранно-ионная теория, автором которой был один из учеников Э.Дю Буа-Реймона Ю.Берштейн (1902). Согласно его взглядам, ведущими факторами формирования разности потенциалов в клетке в состоянии покоя является ее полупроницаемая мембрана и ионная асимметрия. В своих представлениях Ю.Берштейн опирался на опыт Оствальда, демонстрирующего появление разности потенциалов между двумя половинами сосуда с раствором К₂ SО, перегороженного полупроницаемой мембраной. Величина этой разности потенциалов должна соответствовать расчетной на основе формулы Нернста:

Е= ((R*Т) / (F*n)) * Ln (К⁺ _Н / К⁺ _В),

где Е- разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны, R - газовая постоянная, Т – абсолютная температура, F - число Фарадея, К⁺ _Н и К⁺ _В –внутренняя и наружная концентрация ионов калия (число Фарадея – заряд 1 моля одновалентных ионов, газовая постоянная – кинетическая энергия одного моля ионов при Т=1К). В целом верно отражая механизм электрогенеза, теория Ю.Берштейна не во всех случаях корректно объясняла электрофизиологические феномены, например, происхождение части высоковольтного пика – овершута, не объясняла причину возникновения исходных ионных градиентов.

Развитие представлений Ю.Берштейна нашло в работах английских физиологов Эндрю Ф.Хаксли, Алана Л.Ходжкина и Бернарда Катца. Согласно их взглядам, природу МПП можно объяснить, базируясь на следующих положениях.

Современная мембранно-ионная теория.

1. В возбудимых клетках специальными энергозатратными механизмами («калий-натриевый насос») создается ионная асиммтрия: ионы Na⁺ накапливаются в межклеточном пространстве, а К⁺ - внутри клетки;

2. В соответствии с теорией электролитической диссоциации Аррениуса катионы в протоплазме и межклеточной жидкости находятся в электростатическом взаимодействии с комплементарными им анионами;

3. Мембрана клетки играет одну из ведущих ролей в формировании МПП: в состоянии покоя мембрана клетки селективно (избирательно) проницаема для ионов К⁺ и в меньшей степени для ионов Cl^-. Экспериментально было установлено, что в гигантском аксоне кальмара (один из основных экспериментальных объектов нейрофизиологии 40-60 годов нашего столетия) в состоянии покоя соотношение показателей проницаемости для отдельных ионов составляет Рк: Р _Na : Р _Cl = 1.0: 0.04: 0.45.

В связи с указанными обстоятельствами ионы К⁺ начинают покидать клетку в соответствии с концентрационным градиентом, увлекая за собой электростатически взаимодействующие с ними анионы. Однако, последние не могут выйти из клетки, поскольку клеточная мембрана препятствует этому. Таким образом выступает в роли своеобразного фильтра, на одной стороне которого скапливаются ионы К⁺ , формирующие положительный заряд поверхности клетки, а с другой стороны – анионы, формирующие отрицательный заряд протоплазмы. Определенную лепту в формирование суммарного отрицательного потенциала протоплазмы вносят и ионы хлора, перемещающиеся из межклеточной жидкости в протоплазму по концентрационному градиенту. Суммарную разность потенциалов между поверхностью клетки и ее содержимым можно рассчитать на основании уравнения Гольдмана:

Е= (R*Т/ F*n)*Ln (P_K + P_Na Na _H ⁺ + P _Cl Cl _H ^– / P_KK _В ⁺ + P_Cl Cl^- _В),

где Е – разность потенциалов; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; F – число Фарадея.

Представленные выше механизмы МПП отражают так называемую “ионную” его компоненту. В последнее время показано, что еще один фактор принимает участие в формировании электрогенеза в состоянии относительного физиологического покоя. Речь идет о “метаболической” компоненте. Ее роль играет “натрий – калиевый насос”. Элементами насосаявляются: натрий-калиевая АТФаза, АТФ-АДФ, макромоллекула, встроенная в структуру мембраны и транспортируемые катионы. Указанный механизм работает таким образом, что при транспортировке двух ионов калия внутрь клетки одновременно за ее пределыпереносится три иона натрия. Данное обстоятельство приводит к еще большему увеличению положительного заряда поверхности мембраны клеток.

4. При воздействии на клетку раздражителем в последней возникает возбуждение. В зависимости от силовых характеристик раздражителя возможны два варианта возбуждения: местное и распостраняющееся. Одним из проявлений местного возбуждения в клетке является локальный ответ. Локальным ответом называется такое колебание мембранного потенциала клетки, которое возникает при действии раздражителя, составляющем по силе от 50% от порога возбудимости и до его достижения. Если величина раздражителя становится пороговой или надпороговой, в раздражаемой клетке генерируется потенциал действия. Потенциал действия – это быстрое колебание мембранного потенциала возбудимых клеток, возникающее, как отмечалось выше, в условиях действия раздражителей пороговой и надпороговой величины (рис.2).

Потенциал действия состоит из следующих временных отрезков:

1 – периода латентного дополнения =ЛО;

2 – периода генерации высоковольтного пика = ПД;

3 - периода генерации следовых процессов = “хвост” ≠ПД.

Рис.2 Форма кривой потенциала при возбуждении (при внутриклеточном отведении).

В самой же кривой различают локальный ответ (ЛО), высоковольтный пик (ВП) с моментами перехода через нулевой уровень – инверсией (И) и реверсией (Р) и следовые процессы – следовая деполяризация и следовая гиперполяризация.

КУД – критический уровень деполяризации (уровень мембранного потенциала клетки, при достижении которого генерируется потенциал действия). Процессы, связанные с уменьшением исходной разности потенциалов, носят название деполяризации, а с ее востановлением – реполяризации.

Сравнительные характеристики локального ответа и потенциала действия.

ХАРАКТЕРИСТИКА	ЛОКАЛЬНЫЙ ОТВЕТ	ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
Отношение к раздражителям	Возникает при действии раздражителей, составляю-щих 50 % от порога и до его достижения.	Возникает при действии пороговых и надпороговых раздражителей
Реализуется в соответствии с Способность к суммации Возбудимость Проводимость Распространяется Проницаемость по отношению к ионам Na^+ Проницаемость по отношению к ионам K^+	“законом силы”   +   повышается повышается с затуханием повышается     не меняется	законом “все или ничего”   __   меняется неоднозначно меняется неоднозначно без затухания вначале повышается, а затем понижается   повышается при реполяризации

5. В соответствии с современными представлениями механизм генерации ПД связан с изменением ионной проницаемости мембраны. При действии раздражитея на возбудимую клетку изменяется проницаемость мембраны по отношению к иону натрия. В силу того, что Na больше за пределами клетки, возникает входящий натриевый ток. Это, в свою очередь, приводит к понижению исходной разности потенциалов. Если действовал подпороговый раздражитель, колебание мембранного потенциала не достигает критического уровня деполяризации (локальный ответ). Если же раздражитель пороговый или надпороговый, колебание мембранного потенциала достигает критического уровня и, в связи с этим, генерируется высоковольтный пик. Формирование переднего фронта высоковольтного пика связано с еще большей проницаемостью мембраны по отношению к иону Na⁺ , тогда как заднего фронта – повышение мембранного потенциала по отношению к иону K⁺. Поскольку ион К является преимущественно внутриклеточным элементом, его ток является выходящим, что приводит в начале к уменьшению сложившейся к этому моменту разности потенциалов, а затем и формированию разности потенциалов, соответствующей исходной величине.

Механизм изменения проницаемости мембраны по отношению к различным ионам связан с наличием в мембране специальных образований, получивших название ионных каналов.

В последние годы показано, что в мембранах возбудимых клеток имеются специфические (селективные) натриевые, калиевые, хлорные и кальциевые каналы, т.е. каналы, избирательно пропускающие только ионы Na⁺, K⁺, Cl^-, Ca⁺⁺. Эти каналы обладают воротными механизмами: активационными и инактивационными и являются потенциалзависимыми. Воротный механизм – это белковая молекула, имеющая радикальную группу, которая выступает в просвет канала. Положение такой молекулы по отношению к просвету канала определяет его состояние. Кроме указанного типа каналов, имеются так называемые неспецифические (потенциалнезависимые) каналы, не имеющие воротных механизмов.

В воротном механизме принято различать m – активационные ворота и h – инактивационные (рис.3).

А Б В

_{m m m}

_{h h h}

_{Рис.3. Схема структуры селективных каналов мембраны.}

А – состояние относительного покоя;

Б – состояние возбуждения;

В – состояние инактивации.

Неспецифические каналы не имеют воротных механизмов. В этой связи они всегда проницаемы для всех ионов, а ток через них определяется концентрационными градиентами.

6. Как отмечалось выше, при генерации потенциала действия в возбудимых клетках возбудимость меняется неоднозначно. На рис.3 представлены соотношения между изменениями мембранного потенциала при возбуждении и возбудимостью клетки.

Рис. 4. Соотношение потенциала действия и кривой изменения возбудимости клетки.

Дата добавления: 2014-01-20