Биопотенциалы
Раздражимость является универсальным свойством живой материи, она обусловила способность клеток приспосабливаться к меняющимся условиям внешней и внутренней среды и явилась основой объединения клеток в отдельные системы и регуляцию их деятельности.
Раздражимость — общее свойство для всех тканей; способность менять свое состояние в ответ на раздражение.
В процессе эволюции возникают высокодифференцированные ткани (нервная и мышечная), у которых раздражимость приобретает форму возбудимости. К возбудимым тканям относят: нервную, мышечную и железистую ткани.
Возбудимость — следствие дифференцированности тканей;
Возбуждение — способность высокоорганизованных тканей отвечать на раздражение специфической реакцией.
Показатель возбудимости порог раздражения: это та наименьшая величина раздражителя, которая способна вызывать возбуждение. Чем выше порог, тем ниже возбудимость и наоборот.
Возбуждение — в широком биологическом смысле — это временное повышение жизнедеятельности организма или его частей, наступающее при изменении условий существования.
Возбуждение — это:
— основной физиологический процесс, которым всякий организм отвечает на раздражение;
— реакция живой ткани на раздражение, основным компонентом которой является изменение физико-химических свойств мембраны и цитоплазмы клетки.
Таким образом, возбудимость — это свойство, а возбуждение — это процесс. Возбудимость и возбуждение тесно связаны с особенностями мембран клетки.
Биологические мембраны.
Биологические мембраны — это функционально активные структуры клеток, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур; они образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.
Функции мембран:
1. формирование клеточных структур;
2. поддержание внутриклеточного гомеостаза;
3. участие в процессе возбуждения;
4. фото — и механохеморецепция;
5. всасывание;
6. секреция и газообмен;
7. тканевое дыхание;
8. запас и трансформация энергии.
Большинство известных заболеваний человека является прямым следствием нарушений мембран либо связанными с ними процессами.;
Структурная основа мембраны — двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. Молекулы липидов амфотерны, своими гидрофильными частями они обращены в сторону водной среды (межклеточная жидкость и цитоплазма), гидрофобные части молекул направлены внутрь липидного бислоя.
Белковые молекулы выполняют роль каналов рецепторов, насосов, ферментов.
Ионный канал представляют в виде собственной транспортной системы, сенсора электрического напряжения и так называемых ворот, регулирующих вход ионов в канал.
Ионный канал — это белковая макромолекула, образующая пору через двухслойную липидную мембрану.
Натриевые каналы блокирует тетродотоксин, калиевые каналы — тетраэтиламмоний.
Составные часта ионоселективного канала.
Пора — молекулярное динамическое образование. Образована транспортным ферментом, который способен в 200 раз ускорить диффузию.
Сенсор напряжения — белковая молекула в самой мембране, способна реагировать на изменение мембранного потенциала.
Воротный механизм – на внутренней стороне мембране, это белок, способный к конформации (изменение пространственной конфигурации молекул)
Селективный фильтр — определяет однонаправленное движение ионов через пору и ее избирательную проницаемость.
Функции:
— открывает канал (активирует);
— закрывает канал (инактивирует);
— чувствителен к химическим веществам
Мембраны — это не жестко фиксированные структуры, а гибкие, постоянно обновляющиеся образования, которые снаружи покрыты слоем гликопротеидов, гликолипидов и кислых мукополисахаридов, что необходимо для обеспечения межклеточного взаимодействия.
Транспорт веществ через мембраны
1. Пассивный транспорт — осуществляется без затрат энергии.
Виды пассивного транспорта:
Диффузия — самопроизвольное взаимопроникновение (тепловое движение).
Осмос — движение молекул под влиянием осмотического давления.
Фильтрация — естественное отделение от воды взвешенных частей.
2. Активный транспорт — осуществляется с затратой энергии против концентрационного градиента.
Виды активного транспорта:
Фагоцитоз — транспорт крупных частиц за счет перестройки мембраны.
Пиноцитоз — транспорт жидкости и мелких частиц из внешней среды за счет перестройки мембраны.
Активный транспорт ионов насосами клеточных мембран обеспечивает поддержание ионных градиентов по обе стороны мембраны. Доказано участие в активном транспорте ионов специализированных ферментных систем — АТФаз, которые осуществляют гидролиз АТФ.
Различают:
Натрий — калиевая — АТФ-аза («натриевый насос») — обнаружена в клетках всех животных, растений и микроорганизмов.
Кальциевая — АТФ — аза («кальциевый насос») наиболее широко распространена в мышечных клетках (саркоплазматический ретикулум).
Протонная АТФ. — аза («протонный насос») локализована в мембранах митохондрий.
Na, К — АТФ — аза — это мембранный белок, молекула которого имеет два центра связывания ионов, один из которых (натриевый) расположен на внутренней поверхности клеточной мембраны, а второй (калиевый) — на ее внешней поверхности.
Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид — строфантин (буабаин), блокирующий работу натриевого насоса.
Гидролиз одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием в клетку двух ионов калия. При увеличении количества ионов калия во внеклеточной среде или ионов натрия внутри клетки работа насоса усиливается.
При возбуждении в клетке происходят различные изменения:
1. Структурные: меняется строение мембран, пор, каналов;
2. Физические: температура цитоплазмы; повышается вязкость; меняется электрический заряд мембран (генерируются электрические потенциалы)
3. Химические: распад АТФ и освобождение энергии
4. Функциональные:
— для нервной ткани: проведение возбуждения по нерву
— для мышечной ткани – сокращение мышц
— для железистой ткани – выделение секрета
Среди многочисленных проявлений жизнедеятельности клетки генерация электрических потенциалов занимает особое положение и является:
а) надежным (единственное средство обнаружения деятельности);
б) универсальным (сопоставимость);
в) точным (скорость срабатывания) показателем течения любых физиологических функций.
Биопотенциалы
Биопотенциал — показатель биоэлектрической активности, определяемой разностью потенциалов между двумя точками живой ткани.
История открытия биопотенциалов
В век электричества мы вспоминаем об электричестве, когда оно внезапно исчезает или когда его действие внезапно проявляется на организме. Мы совсем забыли, что электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным и медики в этом сыграли не последнюю роль. Слово “электричество” придумал лейб-медик английской королевы Уильям Джильберт в своей книге “О магните, магнитных телах и великом магните земли”, вышедшей в 1600 г. Отделил электрические явления от магнитных, чтобы через 200 лет усилиями многих ученых они снова воссоединились, но уже на новой основе.
В конце 18 века (1791) итальянский врач Луиджи Гальвани дал первые экспериментальные доказательства существования электрических явлений в мышце лягушки. Он обратил внимание на то, что отпрепарированные задние лапки лягушки приходили в движение, как только касались железной решетки балкона, к которой были подвешены на медный крючок, проходящий через позвоночник и спинкой мозг (изучалось статическое атмосферное электричество).
Алессандро Вольта взглядам Гальвани о предсуществовании электричества в мышце противопоставил свое утверждение: электричество возникает при соприкосновении разнородных металлов через влажную среду. Попутно Вольта изобрел первый в мире источник постоянного тока (“вольтов столбик”), открыв “металлическое электричество”.
Справедливости ради следует отметить, что Гальвани поставил второй опыт (“сокращение без металлов”), подтвердив свое предположение о существовании “животного электричества”.
Электричестве в живых тканях, открытое Л. Гальвани, измеряют в Вольтах, а устройства, в основе которых лежит “металлическое электричнетво”, открытое Вольта, называют гальваническим элементом.
В 1840 г. Маттсуччи, используя зеркальный гальванометр, открывает потенциал повреждения. Участок повреждения мышцы электроотрицателен по отношению к неповрежденному.
В 1848 г, Эмиль Дюбуа Реймон установил, что возбужденный участок нерва электроотрицателен по отношению к невозбужденному. После этого открытия электрофизиологический метод исследования возбуждения является важнейшим и активно используется в различных областях физиологии.
С 1949 г. Ходжкин, Хаксли и Катц, усовершенствовав микро- электродную технику, положили начало экспериментальной разработке мембранной теории возбуждения и в 1964 г. стали лауреатами Нобелевской премии.
Микроэлектродная техника (внутриклеточная регистрация биопотенциалов).
Микроэлектрод — это 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 называется деполяризация; Смещение его 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 калия гораздо 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.
Рисунок 1. Клетка миокарда в покое (А) и во время деполяризации (Б)
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; уравнения Нернста и уравнения Гольдмана — Ходжкина — Катца.
Работа натриевого насоса при гидролизе одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и поглощением двух ионов калия. Поскольку яри 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, не- распространяющееся возбуждение или локальный ответ. Потенциал действия ~ это всегда распространяющееся возбуждение.
Потенциал действия
Показателем возбудимости является порог раздражения.
Порог раздражения — это та наименьшая величина раздражителя, которая способна вызывать возбуждение. Чем ниже порог, тем выше возбудимость и наоборот.
Раздражитель — это фактор внешней или внутренней среды, изменяющий состояние возбудимых структур.
Раздражители бывают:
1.Адекватные (специфические)
Адекватный — это раздражитель, действующий на биологическую структуру, специально приспособленную для взаимодействия с ним.
Например, для зрительного анализатора это световая энергия, для слухового — звуковая энергия.
2. Неадекватные (неспецифические)
Неадекватный — это 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 — это перезарядка мембраны, является основной причиной распространения возбуждения.
Следовые потенциалы:
1. Отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация);
2. Положительный следовый потенциал (следовая гиперколяризации).
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.
Рисунок 2. Потенциал действия: 1 — локальный ответ, 2 — фаза деполяризации, 3 — фаза реполяризации, 4 — отрицательный следовой потенциал, 5 — положительный (гиперполяризационный) следовой потенциал
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”;
Рисунок 3. Потенциалы действия, возникающие в ответ на пороговое раздражение кротким — А и длительным — Б стимулами. Внизу показаны раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А и Б. ПП — потенциал покоя, Екуд — критический уровень деполяризации мембраны (по А.Л. Каталымову)
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.
Ионные механизмы потенциала действия.
Возникновение ПД связано с изменением проницаемости клеточной мембраны при ее возбуждении. При снижении мембранного потенциала до 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).
Рисунок 4. Основные состояния натриевых каналов. А. В покое (мембрана поляризована) канал не пропускает ионы Na+, поскольку закрыты m — ворота. Б. При деполяризации m — ворота открываются, и канал активируется (т.е, начинает пропускать ионы Na+). Из-за этого m — ворота называют также активационными. В открытом состоянии проводимость канала в значительной степени определяется его селективным фильтром, который не пропускает анионы и гораздо более охотно пропускает Na+ чем К+ или Ca2+. В. При более длительной деполяризации закрываются к h — ворота (инактивирующие ворота), расположенные у внутренней стороны мембраны, и канал инактивируется. Реполяризация до уровня потенциала покоя вновь приводит к открыванию h — ворот и закрыванию m — ворот; В этом состоянии канал вновь можно активировать деполяризационным стимулом (по Эккерт Р.)
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 наступает резкое снижение проницаемости для натрия, 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 клетка вернулась на исходный уровень, а ионный состав ее нарушен. Внутри увеличилось количество ионов натрия, а снаружи увеличилось количество ионов калия. В этом случае натриевый насос работает наиболее активно, восстанавливая ионное равновесие (точнее ионное неравновесие) клетки.
Порог раздражения — 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 считаемся 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.