Мембранные потенциалы и их ионная природа

Введение

Явления переноса в биологических системах

Время 90 минут

Тема: Явления переноса в биологических системах

ЛЕКЦИЯ 12

по медицинской и биологической физике с основами высшей математики для студентов 1 курса лечебного, медико-диагностического и медико-профилактического факультетов.

Литература

1. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. – М.: Высшая школа, 1999. – 616 с.

2. Ливенцев Н. М. Курс физики: Учеб. для вузов. В 2-х т. – М.: Высшая школа, 1978. – т. 1. - 336 с., т. 2. - 333 с.

3. Волькенштейн М. В. Общая биофизика: Монография - М.: Наука, 1978. – 599 с.

4. Биофизика: Учебник / Тарусов Б. Н., Антонов В. Ф., Бурлакова Е. В. и др. – М.: Высшая школа, 1968. – 464 с.

5. Аккерман Ю. Биофизика: Учебник. – М.: Мир, 1964. – 684 с.

6. Ю. А. Владимиров, Д. И. Рощупкин, А. Я. Потапенко, А. И. Деев Биофизика: Учебник. - М.: Медицина, 1983.

Учебные и воспитательные цели:

В итоге изучения студенты должны знать:

1. общие физические закономерности, лежащие в основе процессов, протекающих в организме;

2. Потенциал покоя. Уравнение Нернста. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца. Механизм генерации потенциала действия. Распространение потенциала действия по миелиновым и безмиелиновым нервным волокнам

Материальное обеспечение.

1. Слайды – 9 шт

2.

Расчет учебного времени

№пп	Тема	Перечень вопросов	Количество выделяемого времени в минутах
		Введение
	Явления переноса в биологических системах	Мембранные потенциалы и их ионная природа
	Потенциал покоя, уравнение Нернста.
	Стационарный потенциал Гольдмана - Ходжкина
	Уравнение электродиффузии ионов через мембрану в приближении однородного поля.
		Механизм генерации и распространения потенциала действия.
		Заключение

Тема:

1 минута

Все клетки возбудимых тканей при действии различных раздражителей достаточной силы способны переходить в состояние возбуждения. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны. Общее изменение разности потенциалов между клеткой и средой, происходящее при пороговом и сверхпороговом возбуждении клеток, называется потенциалом действия.

Потенциалы действия обеспечивают проведение возбуждения по нервным волокнам и инициируют процессы сокращения мышечных и секреции железистых клеток.

Вопрос 1. 5 минут

Мембранная теория биопотенциалов была выдвинута еще в 1902 году Бернштейном. Но только в 50-х годах эта теория была по-настоящему развита и экспериментально обоснована Ходжкиным, которому принадлежат основные идеи и теории о роли ионных градиентов в возникновении биопотенциалов и о механизме распределения ионов между клеткой и средой.

Сущность этой теории заключается в том, что потенциал покоя и потенциал действия являются по своей природе мембранными потенциалами, обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и средой, которое поддерживается механизмами активного переноса, локализованными в самой мембране.

Вопрос 2. 23 минут

Потенциал покоя, уравнение Нернста.

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Эта разность потенциалов, измеренная в состоянии физиологического покоя клетки, называется потенциалом покоя.

Причиной возникновения потенциалов клеток как в покое, так и при возбуждении является неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и окружающей средой. Концентрация ионов калия внутри клеток в 20 - 40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация натрия в межклеточной жидкости в 10 - 20 раз выше, чем внутри клеток. Такое неравномерное распределение ионов обусловлено активным переносом ионов - работой натрий-калиевого насоса.

Как было установлено, возникновение потенциала покоя обусловлено, в основном, наличием концентрационного градиента ионов калия и неодинаковой проницаемостью клеточных мембран для различных ионов.

Согласно теории Ходжкина, Хаксли, Катца, клеточная мембрана в состоянии покоя проницаема, в основном, только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по концентрационному градиенту через клеточную мембрану в окружающую жидкость; анионы не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны, - отрицательный, то внешняя поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя - отрицательно.

Понятно, что диффузия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами, возникающего электрического поля и силами диффузии.

Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина E может быть найдена из уравнения Нернста:

,

где [K]_i и [K]_e - активность ионов калия внутри и снаружи клетки; F - число Фародея;T - абсолютная температура; E - изменение потенциала; R - газовая константа.

Вопрос 3. 23 минут

Дата добавления: 2014-01-14