Každá živá bunka je pokrytá polopriepustnou membránou, cez ktorú dochádza k pasívnemu pohybu a aktívnemu selektívnemu transportu kladne a záporne nabitých iónov. Vďaka tomuto prenosu vzniká rozdiel v elektrických nábojoch (potenciáloch) medzi vonkajším a vnútorným povrchom membrány – membránový potenciál. Existujú tri odlišné prejavy membránového potenciálu: kľudový membránový potenciál, lokálny potenciál, alebo lokálna odozva, A akčný potenciál.
Ak bunka nie je ovplyvnená vonkajšími stimulmi, potom membránový potenciál zostáva konštantný po dlhú dobu. Membránový potenciál takejto pokojovej bunky sa nazýva pokojový membránový potenciál. Pre vonkajší povrch bunkovej membrány je pokojový potenciál vždy pozitívny a pre vnútorný povrch bunkovej membrány je vždy negatívny. Je zvykom merať pokojový potenciál na vnútornom povrchu membrány, pretože Iónové zloženie bunkovej cytoplazmy je stabilnejšie ako zloženie medzibunkovej tekutiny. Veľkosť pokojového potenciálu je relatívne konštantná pre každý typ bunky. Pre bunky priečne pruhovaného svalstva sa pohybuje od –50 do –90 mV a pre nervové bunky od –50 do –80 mV.
Príčiny pokojového potenciálu sú rôzne koncentrácie katiónov a aniónov mimo a vo vnútri bunky, ako aj selektívna priepustnosť pre nich bunková membrána. Cytoplazma pokojovej nervovej a svalovej bunky obsahuje približne 30-50-krát viac draselných katiónov, 5-15-krát menej sodíkových katiónov a 10-50-krát menej aniónov chlóru ako extracelulárna tekutina.
V pokoji sú takmer všetky sodíkové kanály bunkovej membrány uzavreté a väčšina draslíkových kanálov je otvorená. Kedykoľvek sa draselné ióny stretnú s otvoreným kanálom, prejdú cez membránu. Keďže vo vnútri bunky je oveľa viac draselných iónov, osmotická sila ich vytlačí von z bunky. Uvoľnené draselné katióny zvyšujú kladný náboj na vonkajšom povrchu bunkovej membrány. V dôsledku uvoľnenia iónov draslíka z bunky by sa ich koncentrácie vo vnútri a mimo bunky čoskoro vyrovnali. Tomu však bráni elektrická sila odpudzovania kladných iónov draslíka z kladne nabitého vonkajšieho povrchu membrány.
Čím väčší je kladný náboj na vonkajšom povrchu membrány, tým ťažšie je pre draselné ióny prechádzať z cytoplazmy cez membránu. Draselné ióny opustia bunku, kým sa sila elektrického odpudzovania nerovná sile osmotického tlaku K+. Pri tejto úrovni potenciálu na membráne je vstup a výstup draselných iónov z bunky v rovnováhe, preto sa elektrický náboj na membráne v tomto momente nazýva tzv. draslíkový rovnovážny potenciál. Pre neuróny je to od –80 do –90 mV.
Pretože v pokojovej bunke sú takmer všetky sodíkové kanály membrány uzavreté, ióny Na + vstupujú do bunky pozdĺž koncentračného gradientu v malých množstvách. Len vo veľmi malej miere kompenzujú stratu kladného náboja vo vnútornom prostredí bunky spôsobenú uvoľnením draselných iónov, ale nedokážu túto stratu výrazne kompenzovať. Preto prienik (únik) sodných iónov do bunky vedie len k miernemu poklesu membránového potenciálu, v dôsledku čoho má pokojový membránový potenciál o niečo nižšiu hodnotu v porovnaní s draslíkovým rovnovážnym potenciálom.
Draselné katióny opúšťajúce bunku tak spolu s nadbytkom sodných katiónov v extracelulárnej tekutine vytvárajú pozitívny potenciál na vonkajšom povrchu pokojovej bunkovej membrány.
V pokoji je plazmatická membrána bunky vysoko priepustná pre anióny chlóru. Chlórové anióny, ktoré sú vo väčšom množstve v extracelulárnej tekutine, difundujú do bunky a nesú so sebou negatívny náboj. Úplné vyrovnanie koncentrácií iónov chlóru mimo a vo vnútri článku nenastane, pretože tomu bráni sila elektrického vzájomného odpudzovania podobných nábojov. Vytvorené rovnovážny potenciál chlóru, pri ktorých je vstup iónov chlóru do bunky a ich výstup z nej v rovnováhe.
Bunková membrána je prakticky nepriepustná pre veľké anióny organických kyselín. Preto zostávajú v cytoplazme a spolu s prichádzajúcimi aniónmi chlóru poskytujú negatívny potenciál na vnútornom povrchu membrány pokojovej nervovej bunky.
Najdôležitejší význam pokojového membránového potenciálu je v tom, že vytvára elektrické pole, ktoré pôsobí na makromolekuly membrány a dáva ich nabitým skupinám určitú polohu v priestore. Je obzvlášť dôležité, že toto elektrické pole určuje zatvorený stav aktivačných brán sodíkových kanálov a otvorený stav ich inaktivačných brán (obr. 61, A). To zaisťuje, že bunka je v stave pokoja a je pripravená na vzrušenie. Dokonca aj relatívne malý pokles pokojového membránového potenciálu otvára aktivačnú „bránu“ sodíkových kanálov, ktorá odstraňuje bunku z pokojového stavu a spôsobuje excitáciu.
Jednou z najdôležitejších funkcií biologickej membrány je tvorba a prenos biopotenciálov. Tento jav je základom excitability buniek, regulácie vnútrobunkových procesov, fungovania nervového systému, regulácie svalovej kontrakcie a príjmu. V medicíne sú diagnostické metódy založené na štúdiu elektrických polí vytvorených biopotenciálmi orgánov a tkanív: elektrokardiografia, elektroencefalografia, elektromyografia a iné. Cvičí sa aj terapeutické pôsobenie na tkanivá a orgány vonkajšími elektrickými impulzmi pri elektrickej stimulácii.
Počas života môžu v bunkách a tkanivách vzniknúť rozdiely elektrického potenciálu: Δj
1) redoxné potenciály - v dôsledku prenosu elektrónov z jednej molekuly na iné;
2) membrána - v dôsledku gradientu koncentrácie iónov a prenosu iónov cez membránu.
Biopotenciály zaznamenané v tele sú najmä membránové potenciály.
Membránový potenciál nazývaný potenciálny rozdiel medzi vnútorným (cytoplazmatickým) a vonkajším povrchom membrány:
j m = j von - j int.(1)
Pokrok v štúdiu biopotenciálov je spôsobený:
1) vývoj mikroelektródovej metódy na meranie intracelulárneho potenciálu;
2) vytvorenie špeciálnych biopotenciálnych zosilňovačov (UPB);
3) výber úspešných objektov na štúdium veľkých buniek a medzi nimi obrích axón chobotnice. Priemer axónu chobotnice dosahuje 0,5 mm, čo je o 100 - 1000 viac ako priemer axónov stavovcov vrátane človeka. Gigantická veľkosť axónu má veľký fyziologický význam – zabezpečuje rýchly prenos nervových vzruchov po nervovom vlákne.
Pre biofyziku poslúžil obrovský axón chobotnice ako vynikajúci modelový objekt na štúdium biopotenciálov. Do obrovského axónu chobotnice je možné vložiť mikroelektródu bez toho, aby došlo k výraznému poškodeniu axónu.
Sklenená mikroelektróda je sklenená mikropipeta s veľmi tenkým hrotom (obr. 5.1 ).
Kovová elektróda tejto hrúbky je plastová a nemôže preraziť bunkovú membránu, navyše je polarizovaná. Aby sa zabránilo polarizácii elektród, používajú sa nepolarizujúce elektródy, ako je strieborný drôt potiahnutý soľou AgCl V riešení KS1 alebo NaCl(želatínovaný agar-agar) plniaci mikroelektródu.
Druhá elektróda, referenčná elektróda, je umiestnená v roztoku blízko vonkajšieho povrchu článku. Záznamové zariadenie P so zosilňovačom jednosmerného prúdu meria membránový potenciál:
Obr.5.1 - Mikroelektródová metóda na meranie biopotenciálov
a - sklenená mikropipeta; b - sklenená mikroelektróda;
c - schéma záznamu membránového potenciálu
Mikroelektródová metóda umožnila merať biopotenciály nielen na obrovskom axóne chobotnice, ale aj na bunkách normálnej veľkosti: nervových vláknach iných živočíchov, bunkách kostrového svalstva, bunkách myokardu a iných.
Membránové potenciály sa delia na pokojové a akčné.
Oddychový potenciál- stacionárny rozdiel elektrického potenciálu zaznamenaný medzi vnútorným a vonkajším povrchom membrány v nevybudenom stave.
Pokojový potenciál je určený rôznymi koncentráciami iónov na rôznych stranách membrány a difúziou iónov cez membránu.
Ak je koncentrácia ktoréhokoľvek iónu vo vnútri bunky C ext odlišná od koncentrácie tohto iónu mimo C ext a membrána je pre tento ión priepustná, dochádza k prúdeniu nabitých častíc cez membránu, v dôsledku čoho je elektrická neutralita systém sa naruší, vo vnútri a mimo bunky sa vytvorí potenciálny rozdiel j m = j von - j von ktorý zabráni ďalšiemu pohybu iónov cez membránu. Keď sa vytvorí rovnováha, hodnoty elektrochemických potenciálov na opačných stranách membrány sa vyrovnajú: m in = m in .
Pretože m = m0 + RTlnC + ZFj, To
RTlnC vn + ZFj vn = RTlnC nar + ZFj nar
Je ľahké sa odtiaľto dostať Nernstov vzorec pre rovnovážny membránový potenciál
j m = j nar - j int = - RT/ZF´ln(C int / From nar)
Ak je membránový potenciál spôsobený prenosom iónov K +, pre ktoré [K + ] v > [K + ] von a Z = +1, rovnovážny membránový potenciál
Pre ióny Na +: ext< нар, Z = +1,
Ak v Nernstovom vzorci prejdeme z prirodzeného logaritmu na desiatkový, potom pre kladný jednomocný ión (Z = +1)
Vezmime si teda teplotu T=300 K
Akceptujme v Nernstovom vzorci C in / C nar ≈100, ktorý v poradí podľa veľkosti zodpovedá experimentálnym údajom pre draslík:
log a membránový potenciál
0,06∙2V = 0,12V = 120mV,
ktorý je o niečo väčší ako modul experimentálne nameraných hodnôt pokojového potenciálu a pomocou vzorcov elektrostatiky odhadneme, koľko iónov sa musí presunúť z cytoplazmy do nebunkového prostredia, aby sa vytvoril takýto potenciálny rozdiel. . Polomer bunky r = 10 μm = 10 -5 m Špecifická elektrická kapacita membrány (elektrická kapacita na jednotku plochy) C beat = 10 -2 F/m 2. Plocha membrány 4πr 2 ≈ 4π∙10 -10 m 2 ≈10 -9 m 2. Potom elektrická kapacita membrány
C=C poraziť ∙S≈10 -2 ∙10 -9 m 2
Absolútna hodnota náboja každého znaku na povrchu membrány, ak si ho predstavíme ako kondenzátor,
čo zodpovedá
Objem bunky
Zmena koncentrácie iónov v bunke v dôsledku uvoľnenia 10 - 17 mol iónov z bunky bude
Malá zmena koncentrácie v porovnaní so zmenou koncentrácie iónov draslíka vo vnútri bunky je len 10 -4 % koncentrácie draslíka vo vnútri bunky. Aby sa teda vytvoril rovnovážny Nernstov membránový potenciál, musí membránou prejsť zanedbateľne malý počet iónov v porovnaní s celkovým počtom v bunke.
Pokojový potenciál je teda v skutočnosti bližšie k potenciálu vypočítanému pomocou Nernstovho vzorca pre K +. Zároveň je pozoruhodný významný rozdiel medzi experimentálnymi a teoretickými hodnotami. Dôvodom nezrovnalosti je, že sa neberie do úvahy priepustnosť membrány pre iné ióny. Goldmannova rovnica berie do úvahy súčasnú difúziu iónov K +, Na + a C1 - cez membránu.
Goldmannovu rovnicu možno odvodiť z Nernst-Planckovej rovnice.
Transformujme túto rovnicu:
URT=D podľa Einsteinovho vzťahu. Prijmime takzvanú Goldmannovu aproximáciu konštantného poľa. Intenzitu elektrického poľa v membráne budeme považovať za konštantnú a rovnú priemernej hodnote gradientu potenciálu:
Kde l- hrúbka membrány.
Pre hustotu toku iónov cez membránu získame:
Označujeme Píšeme
Rozdeľme premenné:
Integrujme ľavú stranu diferenciálnej rovnice v rozsahu od 0 do 1 a pravú stranu od C nar = KS nar po C in = KS in (kde K je distribučný koeficient)
Po potencovaní
Vyjadrime to odtiaľto:
Vzhľadom na to dostaneme:
V stacionárnom prípade, keď potenciálny rozdiel - membránový potenciál - inhibuje ďalší prenos iónov cez membránu, celkový tok rôznych iónov sa rovná nule:
j K + + j Na + - j Cl - = 0
Predtým j je tam znamienko mínus, berúc do úvahy záporný náboj iónu chlóru. Keďže sa však na vytváraní membránového potenciálu podieľajú rôzne ióny, nedochádza k rovnováhe tokov rôznych iónov jednotlivo. Ak berieme do úvahy len toky j K+ A jNa+, To jK++jNa+=0, alebo jK = - jNa+ a nahradením dostaneme:
Pretože,
Ak vezmeme do úvahy aj tok iónov C1 - potom, zopakovaním predchádzajúcich argumentov, môžeme získať rovnicu pre membránový potenciál vytvorený prietokmi cez membránu troch typov iónov, Goldmannova rovnica:
Čitateľ výrazu pod logaritmickým znakom predstavuje koncentrácie [K+] VN, BH, ale [C1 -] NAR a v menovateli - [K + ] NAR, H AR, ale [C1 -] VN, pretože ióny chlóru sú negatívne nabité.
V pokoji je priepustnosť membrány pre ióny K + výrazne väčšia ako pre ióny Na + a väčšia ako pre ióny C1 -:
P K >>P Na, P K >P Na.
Napríklad pre axón chobotnice
PK:P Na:PCI = 1:0,04:0,45.
Prepísanie Goldmanovej rovnice takto:
v prípade, keď je priepustnosť membrány pre ióny sodíka a chlóru výrazne nižšia ako priepustnosť pre draslík:
P Na<< P K , P Cl << P K ,
Nernstova rovnica je teda špeciálnym prípadom Goldmannovej rovnice.
Membránový potenciál vypočítaný pomocou Goldmanovej rovnice sa ukázal byť nižší v absolútnej hodnote ako membránový potenciál vypočítaný pomocou Nernstovho vzorca, bližšie k jeho experimentálnym hodnotám vo veľkých bunkách. Nernstov vzorec ani Goldmanova rovnica nezohľadňujú aktívny transport iónov cez membránu, prítomnosť v membránach elektrogénnych (spôsobujúcich separáciu nábojov, a teda vznik potenciálových rozdielov) iónových púmp, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu úlohu pri udržiavaní iónovej rovnováhy v malých bunkách. K + -Na + -ATPázy pracujú v cytoplazmatickej membráne, pumpujú draslík do bunky a sodík von z bunky. S prihliadnutím na prevádzku elektrogénnych iónových púmp pre membránový potenciál bol získaný Thomasova rovnica:
kde m je pomer počtu sodíkových iónov k počtu draselných iónov čerpaných iónovými pumpami cez membránu. Najčastejšie K + -Na + -ATPáza pracuje v režime, keď m = 3/2, m je vždy väčšie ako 1. (Nepumpujú žiadne iónové pumpy Cl, preto v Thomasovej rovnici nie sú žiadne členy P Cl [Cl -].)
Koeficient m > 1 zvyšuje príspevok koncentračného gradientu draslíka k vytvoreniu membránového potenciálu, takže membránový potenciál vypočítaný Thomasom je v absolútnej hodnote väčší ako membránový potenciál vypočítaný Holmanom a súhlasí s experimentálnymi hodnotami pre malé bunky .
Narušenie bioenergetických procesov v bunke a práce K + -Na + -ATPázy vedie k poklesu |φ m |, v tomto prípade membránový potenciál lepšie vystihuje Goldmannova rovnica.
Poškodenie bunkovej membrány vedie k zvýšeniu permeability bunkových membrán pre všetky ióny: k zvýšeniu Pk, PNa, a Pcl V dôsledku zníženia rozdielu permeability je absolútna hodnota membránového potenciálu |φ m | klesá.
Pre vážne poškodené bunky |φ m | ešte menej, ale negatívny membránový potenciál |φ m | v dôsledku polyaniónov obsiahnutých v bunke - negatívne nabité proteíny, nukleové kyseliny a iné veľké molekuly, ktoré nedokážu preniknúť cez membránu (Donnanov potenciál).
Akčný potenciál
Prostredníctvom elektrických nervových impulzov (akčných potenciálov) sa v živom organizme prenášajú informácie z receptorov do mozgových neurónov az mozgových neurónov do svalov. Živý organizmus je úplne elektrifikovaný systém. Bez elektriny niet života.
Akčný potenciál bol otvorený pred pokojovým potenciálom. Živočíšna elektrina je známa už dlho. Elektrické úhorie výboje (vyskytujúce sa pri napätiach do 600 V, s prúdom asi 60 A a trvaním asi milisekúnd) používala medicína už v starovekom Ríme na liečbu dny, bolesti hlavy a epilepsie. Elektrický nervový impulz objavil Luigi Galvani, profesor anatómie v Bologni. Výsledky jeho elektrofyziologických experimentov sú prezentované v knihe „Pojednanie o silách elektriny vo svalovom pohybe“ (1791). Galvani zistil, že svalové kontrakcie končatín vypreparovanej žaby môžu byť spôsobené elektrickým impulzom a že zdrojom elektrického impulzu bol samotný živý systém. Galvaniho veľký objav zohral významnú úlohu vo vývoji fyziky, elektrotechniky, elektrochémie, fyziológie, biofyziky a medicíny. Obrovská obľuba Galvaniho myšlienok však viedla k ich profanácii, ktorej stopy zostali dodnes (galvanizácia mŕtvol, galvanizácia očného kontaktu a pod.), čo vyvolalo medzi fyzikmi nedôveru ku Galvaniho experimentom. Galvaniho mladší súčasník, profesor fyziky Alessandro Volta, bol zúrivým odporcom myšlienky živočíšnej elektriny (s výnimkou špeciálnych prípadov elektrických rýb: elektrického úhora a elektrického rejnoka). Vo svojich experimentoch vylúčil biologický objekt a ukázal, že elektrický prúd môže vzniknúť kontaktom sady kovov oddelených elektrolytom (stĺpec napätia). Takto bol objavený zdroj chemického prúdu (pomenovaný však neskôr, na počesť svojho vedeckého odporcu, galvanický prvok).
V 19. storočí vznikla primitívna myšlienka šírenia elektrického prúdu nervami, akoby cez drôty. Helmholtz (druhá polovica 19. storočia) však ukázal, že rýchlosť šírenia nervového vzruchu je len 1-100 m/s, čo je podstatne menej ako rýchlosť šírenia elektrického impulzu drôtmi do 3 10 8 pani. Preto do konca 19. storočia hypotézu o elektrickej povahe nervového impulzu väčšina fyziológov zamietla. Predpokladalo sa, že chemická reakcia sa šíri pozdĺž nervových vlákien. V skutočnosti, ako sa neskôr ukázalo, pomalé šírenie elektrického nervového impulzu je spojené s pomalým dobíjaním kondenzátorov, ktorými sú bunkové membrány, prostredníctvom veľkých odporov. Časová konštanta dobíjania membrány τ= RC je veľká, pretože kapacita membrány (C) a odpor R nervového vlákna sú veľké.
To, že nervový impulz je impulzom elektrického prúdu, bolo dokázané až v polovici 20. storočia, najmä v prácach anglického fyziológa A. Hodgkina a jeho kolegov. V roku 1963 získali Hodgkin, Huxley a Eakeles Nobelovu cenu za medicínu „za operáciu nervových buniek“.
Akčný potenciál (AP) je elektrický impulz spôsobený zmenou iónovej permeability membrány a spojený so šírením excitačnej vlny nervami a svalmi.
Experimenty na štúdium akčného potenciálu sa uskutočňovali (hlavne Hodgkinom a jeho kolegami) na obrovských axónoch chobotníc pomocou mikroelektródovej metódy s použitím vysokoodporových napäťových meračov, ako aj metódou označených atómov. Schéma experimentov a výsledky výskumu sú znázornené na obr.
V experimentoch na štúdium akčného potenciálu sa použili dve mikroelektródy vložené do axónu. Z obdĺžnikového generátora impulzov G sa do prvej mikroelektródy privádza impulz s amplitúdou V, ktorý mení membránový potenciál. Membránový potenciál sa meria pomocou druhej mikroelektródy pomocou vysokoodporového záznamníka napätia P.
Obr.5.2 - Štúdia akčného potenciálu:
a - experimentálna schéma (G - generátor impulzov, P - záznamník napätia); b - akčný potenciál (φ p m - pokojový potenciál, φ rev m - reverzný potenciál, φ d m - amplitúda akčného potenciálu, φ po m - prahový potenciál)
Excitačný impulz spôsobí len krátkodobý posun membránového potenciálu, ktorý rýchlo zmizne a pokojový potenciál sa obnoví. V prípade, že sa excitačný impulz posunie ešte ďalej v negatívnom smere, je sprevádzaný hyperpolarizáciou membrány. Taktiež akčný potenciál nevzniká, keď je budiaci impulz pozitívny (depolarizujúci), ale jeho amplitúda je menšia ako prahová hodnota V nop. Ak sa však ukáže, že amplitúda pozitívneho depolarizujúceho impulzu je väčšia ako hodnota V nop, φ m sa stane väčším ako φ po m a v membráne sa rozvinie proces, v dôsledku ktorého dôjde k prudkému zvýšeniu membránového potenciálu dochádza a membránový potenciál φ m dokonca mení svoje znamienko - stáva sa kladným (φ v >φ nar).
Po dosiahnutí určitej kladnej hodnoty φ rev - reverzný potenciál sa membránový potenciál vracia na hodnotu pokojového potenciálu φ p m, pričom dochádza k niečomu ako tlmené kmitanie. V nervových vláknach a kostrových svaloch je trvanie akčného potenciálu asi 1 ms (a v srdcovom svale asi 300 ms. Po odstránení vzruchu sa v membráne pozorujú niektoré reziduálne javy ešte 1-3 ms, počas ktorých membrána je žiaruvzdorná (neexcitovateľná).
Nový depolarizačný potenciál V > V nop môže spôsobiť vznik nového akčného potenciálu až po úplnom návrate membrány do pokojového stavu. Navyše amplitúda akčného potenciálu
nezávisí od amplitúdy depolarizačného potenciálu (pokiaľ V > V nop). Ak je v pokoji membrána polarizovaná (potenciál cytoplazmy je negatívny vo vzťahu k extracelulárnemu prostrediu), tak pri excitácii sa membrána depolarizuje (potenciál vo vnútri bunky je pozitívny) a po odstránení excitácie nastáva repolarizácia membrány .
Charakteristické vlastnosti akčného potenciálu:
1) prítomnosť prahovej hodnoty depolarizačného potenciálu;
2) zákon „všetko alebo nič“, to znamená, že ak je depolarizačný potenciál väčší ako prah, vzniká akčný potenciál, ktorého amplitúda nezávisí od amplitúdy budiaceho impulzu a akčný potenciál neexistuje, ak amplitúda depolarizačného potenciálu je menšia ako prahová hodnota;
3) nastáva obdobie refraktérnosti, neexcitability membrány počas vývoja akčného potenciálu a reziduálnych účinkov po odstránení excitácie;
4) v momente budenia sa odpor membrány prudko zníži (v axóne chobotnice z 0,1 Ohm m 2 v pokoji na 0,0025 Ohm m 2 počas budenia).
Ak sa obrátime na údaje o hodnotách rovnovážnych Nernstových potenciálov vytvorených rôznymi iónmi, je prirodzené predpokladať, že pozitívny reverzný potenciál má charakter sodíka, pretože práve difúzia sodíka vytvára pozitívny potenciálny rozdiel medzi vnútorný a vonkajší povrch membrány.
Zmenou koncentrácie sodíka vo vonkajšom prostredí môžete zmeniť amplitúdu impulzu akčného potenciálu. Keď sa vonkajšia koncentrácia sodíka znižuje, amplitúda akčného potenciálu klesá so zmenou reverzného potenciálu. Ak je sodík úplne odstránený z prostredia obklopujúceho bunku, akčný potenciál vôbec nevzniká.
Experimenty uskutočnené s rádioaktívnym izotopom sodíka umožnili zistiť, že pri excitácii sa priepustnosť sodíka prudko zvyšuje. Ak je v pokoji pomer koeficientov permeability membrány axónov chobotnice pre rôzne ióny:
PK: PNa: PCI = 1: 0,04: 0,45
potom v stave vzrušenia:
PK:PNa:PCI = 1:20:0,45
to znamená, že v porovnaní s neexcitovaným stavom sa pri excitácii koeficient permeability pre sodík zvýši 500-krát.
Výpočty membránového reverzného potenciálu pomocou Goldmannovej rovnice, ak do nej dosadíme hodnoty membránovej permeability pre excitovaný stav, sa zhodujú s experimentálnymi údajmi.
Excitácia membrány je popísaná Hodgkin-Huxleyovými rovnicami. Jedna z Hodgkin-Huxleyho rovníc má tvar:
kde I m je prúd cez membránu, Cm je kapacita membrány, ∑I i je súčet iónových prúdov cez membránu.
Elektrický prúd cez membránu pozostáva z iónových prúdov: draselných iónov - I k +, sodíka - I Na + a iných iónov vrátane Cl, takzvaný únikový prúd I k, ako aj kapacitný prúd. Kapacitný prúd je spôsobený dobíjaním kondenzátora, ktorý je membránou, tokom nábojov z jedného povrchu na druhý. Jeho hodnota je určená množstvom náboja pretekajúceho z jednej dosky na druhú za jednotku času dq/dt, a keďže náboj kondenzátora je q = C m ∆φ = C m φ m, potom je kapacitný prúd C M. Celkový membránový prúd
Podľa Hodgkin-Huxleyho teórie je excitácia membránového prvku spojená so zmenami membránovej vodivosti pre ióny Na + a K +: g K a g Na.
Membránové vodivosti závisia komplexným spôsobom od membránového potenciálu a času.
Zistilo sa, že ak sa membránový potenciál zvýši (φ m nad prahom), prúd prúdi najskôr do bunky a potom von z bunky.
V experimentoch vykonaných Hodgkinom, Huxleym, Bakerom, Shawom bolo dokázané, že fáza I membránového prúdu je spojená s tokom sodíkových iónov z prostredia (kde je koncentrácia sodíka väčšia) do bunky (kde je menšia). a fáza II sa vysvetľuje tokom draselných iónov z buniek von.
Hodgkin a Huxley vo svojich experimentoch zmenili iónové zloženie okolitého roztoku. Zistilo sa, že ak sa sodík odstránil zvonku, prvá fáza membránového prúdu (prúdu do bunky) zmizla. Preto je v skutočnosti prvá fáza vývoja akčného potenciálu spojená so zvýšením permeability membrány pre sodíkové ióny. Prúdenie kladných častíc do bunky vedie k depolarizácii membrány - jej vnútorný povrch je kladne nabitý vo vzťahu k vonkajšiemu.
V druhej fáze sa priepustnosť membrány pre draslík prudko zvyšuje a kladne nabité draselné ióny opúšťajú bunku, zatiaľ čo sodíkový prúd klesá. Iónový mechanizmus rozvoja akčného potenciálu bol napokon dokázaný v rozhodujúcom experimente Hodgkina, Bakera a Shawa, v ktorom bola axoplazma vypreparovaného axónu nahradená vonkajším roztokom a iónové zloženie vonkajšieho roztoku bolo rovnaké ako normálnej axoplazmy. Pri takejto výmene iónových kompozícií sa potenciálny rozdiel na membráne zmenil znamienko. Teraz, v pokoji, bol jeho vnútorný povrch nabitý kladne vo vzťahu k vonkajšiemu. A akčný potenciál sa ukázal ako negatívny.
Predpokladalo sa, že selektívna (selektívna) zmena v iónovej permeabilite excitovanej membrány: najprv pre Na + a potom pre K + - sa vysvetľuje skutočnosťou, že v membráne sú špeciálne iónové kanály. Existujú samostatné sodíkové a draslíkové kanály, ktoré sa otvárajú a zatvárajú, keď nervový impulz prechádza danou oblasťou membrány. V prvej fáze sa otvárajú sodíkové kanály, v druhej fáze sa otvárajú draslíkové kanály. V súlade s tým sa najskôr uzavrú sodíkové kanály a potom draslíkové kanály. Otváranie a zatváranie iónových kanálov je spôsobené zmenami membránového potenciálu.
Jedným z dôkazov prítomnosti iónových kanálov v membráne je existencia látok, ktoré blokujú toky iónov cez membránu. Tetrodotoxín obsiahnutý v rybách fugu tak blokuje vstup sodíka do bunky a tým narúša prenos nervových vzruchov, čo môže viesť k smrti. Bolo dokázané, že tetrodotoxín neovplyvňuje priepustnosť buniek pre draslík, čo znamená, že ióny sodíka a draslíka v skutočnosti prechádzajú rôznymi kanálmi. Vďaka svojej špecifickej štruktúre sa zdá, že molekuly tetrodotoxínu uviaznu v sodíkových kanáloch. Spočítaním počtu molekúl tetrodotoxínu uviaznutých v membráne bolo možné určiť počet sodíkových kanálov. V rôznych nervových vláknach stavovcov to bolo rôzne - od 3 do 75 kanálov na štvorcový mikrometer plochy membrány (pre porovnanie, počet molekúl fosfolipidov je ≈ 2 10 6 1 / μm 2).
Bol tiež objavený špecifický inhibítor draslíkových kanálov - tetraetylamónium. Ak je membrána ošetrená tetrodotoxínom, ktorý blokuje sodíkové kanály, pri pokusoch s fixáciou membránového potenciálu prvá fáza zmizne a tetraetylamónium, ktoré zastaví prechod draslíka cez membránu, spôsobí vymiznutie druhej fázy.
Zistilo sa teda, že tvorba akčného potenciálu je spôsobená tokmi iónov cez membránu: najprv ióny sodíka do bunky a potom ióny draslíka z bunky do vonkajšieho roztoku, čo je spojené so zmenou vodivosť membrány pre ióny draslíka a sodíka.
textové polia
textové polia
šípka_nahor
Pokojový membránový potenciál (MPP) resp oddychový potenciál (PP) je potenciálny rozdiel pokojovej bunky medzi vnútornou a vonkajšou stranou membrány. Vnútro bunkovej membrány je v porovnaní s vonkajškom negatívne nabité. Ak sa potenciál externého riešenia rovná nule, MPP sa zapíše so znamienkom mínus. Rozsah MPP závisí od typu tkaniva a pohybuje sa od -9 do -100 mV. Preto je bunková membrána v stave pokoja polarizované. Pokles hodnoty MPP je tzv depolarizácia, zvýšiť - hyperpolarizácia, obnovenie pôvodnej hodnoty MPP- repolarizácia membrány.
Základné ustanovenia membránovej teórie pôvodu MPP zredukovať na nasledovné. V pokojovom stave je bunková membrána vysoko priepustná pre ióny K + (v niektorých bunkách a pre SG), menej priepustná pre Na + a prakticky nepriepustná pre intracelulárne proteíny a iné organické ióny. K+ ióny difundujú von z bunky pozdĺž koncentračného gradientu a neprenikajúce anióny zostávajú v cytoplazme, čo poskytuje vzhľad potenciálneho rozdielu cez membránu.
Výsledný potenciálny rozdiel bráni výstupu K+ z bunky a pri určitej hodnote nastáva rovnováha medzi výstupom K+ pozdĺž koncentračného gradientu a vstupom týchto katiónov pozdĺž výsledného elektrického gradientu. Membránový potenciál, pri ktorom sa dosiahne táto rovnováha, sa nazýva rovnovážna potenciašarlátový Jeho hodnotu možno vypočítať z Nernstovej rovnice:
Kde E k- rovnovážny potenciál pre TO + ; R- plynová konštanta; T- absolútna teplota; F - Faradayovo číslo; P- valencia K + (+1), [K n + ] - [K + in ] - vonkajšie a vnútorné koncentrácie K + -
Ak prejdeme z prirodzených logaritmov na desiatkové a do rovnice dosadíme číselné hodnoty konštánt, rovnica bude mať tvar: 
V miechových neurónoch (tabuľka 1.1) E k = -90 mV. Hodnota MPP nameraná pomocou mikroelektród je výrazne nižšia - 70 mV.
Tabuľka 1.1. Koncentrácie niektorých iónov vo vnútri a mimo miechových motorických neurónov cicavcov
| A on |
Koncentrácia |
(mmol/l H20) |
Váhový potenciál (mv) |
|
vnútri bunky |
mimo klietky |
||
| Na+ | 15,0 | 150,0 | |
| K+ | 150,0 | 5,5 | |
| Сl - | 125,0 | ||
|
Pokojový membránový potenciál = -70 mV |
|||
Ak má potenciál bunkovej membrány draslíkovú povahu, potom by v súlade s Nernstovou rovnicou mala jeho hodnota klesať lineárne s poklesom koncentračného gradientu týchto iónov, napríklad so zvýšením koncentrácie K + v extracelulárnom prostredí. tekutina. Avšak lineárna závislosť hodnoty RMP (pokojový membránový potenciál) na koncentračnom gradiente K+ existuje len vtedy, keď je koncentrácia K+ v extracelulárnej tekutine nad 20 mM. Pri nižších koncentráciách K + mimo bunky sa krivka závislosti E m od logaritmu pomeru koncentrácií draslíka mimo bunky a vo vnútri bunky líši od teoretickej. Zistené odchýlky v experimentálnej závislosti hodnoty MPP a koncentračného gradientu K + teoreticky vypočítaného pomocou Nernstovej rovnice možno vysvetliť predpokladom, že MPP excitabilných buniek je určený nielen draslíkom, ale aj rovnovážnym potenciálom sodíka a chlóru. . Argumentujúc podobne ako v predchádzajúcom, môžeme napísať:
Hodnoty rovnovážneho potenciálu sodíka a chlóru pre miechové neuróny (tabuľka 1.1) sa rovnajú +60 a -70 mV. Hodnota ECl sa rovná hodnote MPP. To naznačuje pasívnu distribúciu iónov chlóru cez membránu v súlade s chemickými a elektrickými gradientmi. Pre sodíkové ióny sú chemické a elektrické gradienty nasmerované do bunky.
Príspevok každého z rovnovážnych potenciálov k hodnote MPP je určený pomerom medzi permeabilitou bunkovej membrány pre každý z týchto iónov. Membránový potenciál sa vypočíta pomocou Goldmannovej rovnice:
E m- membránový potenciál; R- plynová konštanta; T- absolútna teplota; F- Faradayovo číslo; RK, P Na A RCl- konštanty membránovej permeability pre K + Na+ a Cl, v tomto poradí; [TO+ n ], [ K + vn, [ Na+ n [ Na + vn], [Cl - n ] a [Cl - ext ] - koncentrácie K +, Na + a Cl mimo (n) a vo vnútri (v) bunky.
Nahradením koncentrácií iónov a hodnoty MPP získanej v experimentálnych štúdiách do tejto rovnice je možné ukázať, že pre obrovský axón chobotnice by mal existovať nasledujúci pomer konštánt permeability P k: P Na: P C1 = I: 0,04: 0,45. Je zrejmé, že keďže membrána je priepustná pre ióny sodíka (PN a =/ 0) a rovnovážny potenciál pre tieto ióny má znamienko plus, potom ich vstup do bunky pozdĺž chemických a elektrických gradientov zníži elektronegativitu cytoplazmy, t.j. zvýšiť RMP (pokojový membránový potenciál).
Keď sa koncentrácia draselných iónov vo vonkajšom roztoku zvýši nad 15 mM, MPP sa zvýši a pomer konštánt permeability sa zmení smerom k výraznejšiemu prebytku Pk nad P Na a P C1. Pk: PNa: PCI = 1: 0,025: 0,4. Za takýchto podmienok je MPP určený takmer výlučne gradientom iónov draslíka, takže experimentálne a teoretické závislosti hodnoty MPP na logaritme pomeru koncentrácií draslíka vonku a vo vnútri bunky sa začínajú zhodovať.
Prítomnosť stacionárneho rozdielu potenciálu medzi cytoplazmou a vonkajším prostredím v pokojovej bunke je teda spôsobená existujúcimi koncentračnými gradientmi pre K +, Na + a Cl a odlišnou permeabilitou membrány pre tieto ióny. Hlavnú úlohu pri tvorbe MPP hrá difúzia draselných iónov z bunky do vonkajšieho roztoku. Spolu s tým je MPP tiež určený rovnovážnym potenciálom sodíka a chlóru a príspevok každého z nich je určený vzťahmi medzi permeabilitou bunkovej plazmatickej membrány pre tieto ióny.
Všetky vyššie uvedené faktory tvoria tzv iónová zložka RMP (pokojový membránový potenciál). Pretože ani draslíkový ani sodíkový rovnovážny potenciál sa nerovná MPP. bunka musí absorbovať Na + a stratiť K +. Stálosť koncentrácií týchto iónov v bunke je udržiavaná vďaka práci Na + K + -ATPázy.
Úloha tejto iónovej pumpy však nie je obmedzená na udržiavanie gradientov sodíka a draslíka. Je známe, že sodíková pumpa je elektrogénna a keď funguje, z bunky vzniká čistý tok kladných nábojov do extracelulárnej tekutiny, čo spôsobuje zvýšenie elektronegativity cytoplazmy vo vzťahu k prostrediu. Elektrogenita sodíkovej pumpy bola odhalená pri experimentoch na obrovských neurónoch mäkkýšov. Elektroforetická injekcia iónov Na + do tela jedného neurónu spôsobila hyperpolarizáciu membrány, počas ktorej bol MPP výrazne nižší ako rovnovážny potenciál draslíka. Táto hyperpolarizácia bola oslabená znížením teploty roztoku, v ktorom sa bunka nachádzala a bola potlačená špecifickým inhibítorom Na+, K+-ATPázy ouabainom.
Z uvedeného vyplýva, že MPP možno rozdeliť na dve zložky – "iónový" A „metabolický“. Prvá zložka závisí od koncentračných gradientov iónov a priepustnosti membrán pre ne. Druhý, „metabolický“, je spôsobený aktívnym transportom sodíka a draslíka a má dvojaký účinok MPP. Na jednej strane sodíková pumpa udržiava koncentračné gradienty medzi cytoplazmou a vonkajším prostredím. Na druhej strane, keďže je elektrogénna, sodíková pumpa má priamy vplyv na MPP. Jeho príspevok k hodnote MPP závisí od hustoty „čerpacieho“ prúdu (prúd na jednotku plochy povrchu bunkovej membrány) a odporu membrány.
Akčný potenciál membrány
textové polia
textové polia
šípka_nahor
Ak dôjde k podráždeniu nervu alebo svalu nad prahom excitácie, potom sa MPP nervu alebo svalu rýchlo zníži a na krátku dobu (milisekundu) sa membrána znovu nabije: jej vnútorná strana sa nabije kladne v porovnaní s ten vonkajší. Toto krátkodobá zmena MPP, ktorá nastáva počas bunkovej excitácie, ktorá má na obrazovke osciloskopu podobu jediného vrcholu, sa nazýva membránový akčný potenciál (MPD).
IVD v nervovom a svalovom tkanive nastáva, keď absolútna hodnota IVD (depolarizácia membrány) klesne na určitú kritickú hodnotu, tzv. generačný prah MTD. V nervových vláknach obrovských chobotníc je IVD 60 mV. Keď je membrána depolarizovaná na -45 mV (prah generovania IVD), dochádza k IVD (obr. 1.15).
Ryža. 1.15 Akčný potenciál nervového vlákna (A) a zmena vodivosti membrány pre ióny sodíka a draslíka (B).Počas výskytu IVD v axóne kalmára klesá odpor membrány 25-krát, z 1000 na 40 Ohm.cm 2, pričom elektrická kapacita sa nemení. Tento pokles membránového odporu je spôsobený zvýšením iónovej permeability membrány pri excitácii.
Vo svojej amplitúde (100-120 mV) je MAP (membránový akčný potenciál) o 20-50 mV vyšší ako MPP (pokojový membránový potenciál). Inými slovami, vnútorná strana membrány sa na krátky čas pozitívne nabije v porovnaní s vonkajšou stranou - „prekmit“ resp. obrátenie náboja.
Z Goldmanovej rovnice vyplýva, že k takýmto zmenám membránového potenciálu môže viesť iba zvýšenie permeability membrány pre sodíkové ióny. Hodnota E k je vždy menšia ako hodnota MPP, takže zvýšenie priepustnosti membrány pre K+ zvýši absolútnu hodnotu MPP. Rovnovážny potenciál sodíka má znamienko plus, takže prudké zvýšenie permeability membrány pre tieto katióny vedie k opätovnému nabitiu membrány.
Počas IVD sa zvyšuje priepustnosť membrány pre ióny sodíka. Výpočty ukázali, že ak v pokoji je pomer konštánt membránovej permeability pre K+, Na+ a SG 1: 0,04: 0,45, potom pri MTD - P k: P Na: P = 1: 20: 0,45. V dôsledku toho membrána nervového vlákna v stave excitácie jednoducho nestráca svoju selektívnu iónovú permeabilitu, ale naopak tým, že je v pokoji selektívne permeabilná pre ióny draslíka, stáva sa selektívne permeabilná pre sodíkové ióny. Zvýšenie priepustnosti sodíka membrány je spojené s otvorením napäťovo riadených sodíkových kanálov.
Mechanizmus, ktorý zabezpečuje otváranie a zatváranie iónových kanálov je tzv kanálová brána. Je zvykom rozlišovať aktivácia(m) a inaktivácia h) brána. Iónový kanál môže byť v troch hlavných stavoch: zatvorený (m-brána zatvorená; h-brána otvorená), otvorená (m- a h-brána otvorená) a neaktivovaná (m-brána otvorená, h-brána zatvorená) (obrázok 1.16). .
Ryža. 1.16 Schéma polohy aktivačných (m) a inaktivačných (h) brán sodíkových kanálov, zodpovedajúcich zatvoreným (pokoj, A), otvoreným (aktivácia, B) a neaktivovaným (C) stavom.
Depolarizácia membrány spôsobená dráždivým stimulom, napríklad elektrickým prúdom, otvára m-bránu sodíkových kanálov (prechod zo stavu A do B) a zaisťuje výskyt toku kladných nábojov - sodíkových iónov smerom dovnútra. To vedie k ďalšej depolarizácii membrány, čo následne zvyšuje počet otvorených sodíkových kanálov a tým zvyšuje priepustnosť sodíka membrány. Dochádza k „regeneračnej“ depolarizácii membrány, v dôsledku ktorej má potenciál vnútornej strany membrány tendenciu dosiahnuť rovnovážny potenciál sodíka.
Dôvodom zastavenia rastu IVD (membránový akčný potenciál) a repolarizácie bunkovej membrány je:
A) Zvýšená depolarizácia membrány, t.j. keď E m -» E Na, čo vedie k zníženiu elektrochemického gradientu pre ióny sodíka, ktoré sa rovná E m -> E Na. Inými slovami, sila „tlačiaca“ sodík do bunky klesá;
b) Depolarizáciou membrány vzniká proces inaktivácie sodíkových kanálov (uzavretie h-brány; stav kanála B), ktorý inhibuje rast sodíkovej permeability membrány a vedie k jej zníženiu;
V) Depolarizácia membrány zvyšuje jej priepustnosť pre ióny draslíka. Odchádzajúci prúd draslíka má tendenciu posúvať membránový potenciál smerom k rovnovážnemu potenciálu draslíka.
Zníženie elektrochemického potenciálu sodíkových iónov a inaktivácia sodíkových kanálov znižuje veľkosť prichádzajúceho sodíkového prúdu. V určitom časovom bode sa veľkosť prichádzajúceho sodíkového prúdu porovnáva so zvýšeným odchádzajúcim prúdom - rast IVD sa zastaví. Keď celkový výstupný prúd prekročí prichádzajúci, začne sa repolarizácia membrány, ktorá má tiež regeneračnú povahu. Nástup repolarizácie vedie k uzavretiu aktivačnej brány (m), čo znižuje priepustnosť sodíka membrány, urýchľuje repolarizáciu a tá zvyšuje počet uzavretých kanálov atď.
IVD repolarizačná fáza v niektorých bunkách (napríklad v kardiomyocytoch a niektorých bunkách hladkého svalstva) sa môže spomaliť a vytvoriť plošina AP spôsobené zložitými zmenami v čase prichádzajúcich a odchádzajúcich prúdov cez membránu. V dôsledku IVD môže dôjsť k hyperpolarizácii a/alebo depolarizácii membrány. Ide o tzv stopové potenciály. Stopová hyperpolarizácia má dvojaký charakter: iónový A metabolickéfalšujem. Prvý je spôsobený skutočnosťou, že priepustnosť draslíka v nervovom vlákne membrány zostáva zvýšená po určitú dobu (desiatky a dokonca stovky milisekúnd) po generovaní IVD a posúva membránový potenciál smerom k rovnovážnemu potenciálu draslíka. Stopová hyperpolarizácia po rytmickej stimulácii buniek je spojená predovšetkým s aktiváciou elektrogénnej sodíkovej pumpy v dôsledku akumulácie sodíkových iónov v bunke.
Dôvodom depolarizácie, ktorá sa vyvinie po vytvorení MAP (membránový akčný potenciál), je akumulácia draselných iónov na vonkajšom povrchu membrány. Ten, ako vyplýva z Goldmanovej rovnice, vedie k zvýšeniu RMP (pokojový membránový potenciál).
Inaktivácia sodíkových kanálov je spojená s dôležitou vlastnosťou nervového vlákna tzvžiaruvzdornosť .
Počas absolutna refraktérna fáza nervové vlákno úplne stráca schopnosť byť vzrušený podnetom akejkoľvek sily.
Relatívnažiaruvzdornosť, po absolútnom, sa vyznačuje vyšším prahom pre výskyt MTD (Membrane action potential).
Myšlienka membránových procesov vyskytujúcich sa počas excitácie nervového vlákna slúži ako základ pre pochopenie a fenomén ubytovanie. Základom akomodácie tkaniva pri nízkej rýchlosti nárastu dráždivého prúdu je zvýšenie prahu excitácie, ktorý predstihne pomalú depolarizáciu membrány. Zvýšenie prahu excitácie je takmer úplne určené inaktiváciou sodíkových kanálov. Úlohou zvyšovania priepustnosti draslíka membránou vo vývoji akomodácie je to, že vedie k poklesu odolnosti membrány. V dôsledku poklesu odporu sa rýchlosť depolarizácie membrány ešte spomalí. Rýchlosť akomodácie je vyššia, čím väčší je počet sodíkových kanálov na pokojovom potenciáli v inaktivovanom stave, tým vyššia je rýchlosť rozvoja inaktivácie a tým vyššia je priepustnosť draslíka membránou.
Vedenie excitácie
textové polia
textové polia
šípka_nahor
Vedenie vzruchu pozdĺž nervového vlákna sa uskutočňuje v dôsledku lokálnych prúdov medzi excitovanými a pokojovými časťami membrány. Postupnosť udalostí v tomto prípade je uvedená nasledovne.
Keď je bodový stimul aplikovaný na nervové vlákno v zodpovedajúcej časti membrány, vzniká akčný potenciál. Vnútorná strana membrány v danom bode sa ukáže ako kladne nabitá vzhľadom na susednú stranu v pokoji. Medzi bodmi vlákna s rôznymi potenciálmi vzniká prúd. (miestny prúd), smerované z excitovaného (znamienko (+) na vnútornej strane membrány) do neexcitovaného (znamienko (-) na vnútornej strane membrány) do úseku vlákna. Tento prúd má depolarizačný účinok na vláknitú membránu v kľudovej oblasti a keď sa v tejto oblasti dosiahne kritická úroveň depolarizácie membrány, nastáva MAP (membránový akčný potenciál). Tento proces sa postupne šíri do všetkých oblastí nervového vlákna.
V niektorých bunkách (neuróny, hladké svaly) nemá IVD povahu sodíka, ale je spôsobená vstupom Ca2+ iónov cez napäťovo závislé vápnikové kanály. V kardiomyocytoch je generovanie IVD spojené s prichádzajúcimi sodíkovými a sodíkovo-vápenatými prúdmi.
V roku 1786 Luigi Galvani, profesor anatómie na univerzite v Bologni, uskutočnil sériu experimentov, ktoré položili základ pre cielený výskum v oblasti bioelektrických javov. V prvom experimente zavesil preparát z nahých nôh žaby pomocou medeného háku na železný rošt a zistil, že zakaždým, keď sa svaly dotkli roštu, stiahli sa. Galvani naznačil, že svalové kontrakcie sú vo všeobecnosti dôsledkom vplyvu „živočíšnej elektriny“ na ne, ktorej zdrojom sú nervy a svaly. Príčinou kontrakcie bol však podľa Volta elektrický prúd, ktorý vznikol v oblasti kontaktu rôznych kovov. Galvani uskutočnil druhý experiment, v ktorom bol zdroj prúdu pôsobiaceho na sval akoby nerv: sval sa opäť stiahol. Tak sa získal presný dôkaz existencie „živočíšnej elektriny“.
Všetky bunky majú svoj vlastný elektrický náboj, ktorý vzniká v dôsledku nerovnakej priepustnosti membrány pre rôzne ióny. Bunky excitabilných tkanív (nervové, svalové, žľazové) sa vyznačujú tým, že pod vplyvom stimulu menia priepustnosť svojej membrány pre ióny, v dôsledku čoho sa ióny veľmi rýchlo transportujú podľa elektrochemického gradientu. . Toto je proces excitácie. Jeho základom je oddychový potenciál.
Oddychový potenciál
Pokojový potenciál je relatívne stabilný rozdiel v elektrickom potenciáli medzi vonkajšou a vnútornou stranou bunkovej membrány. Jeho hodnota sa zvyčajne pohybuje od -30 do -90 mV. Vnútorná strana membrány v pokoji je nabitá záporne a vonkajšia strana je nabitá kladne v dôsledku nerovnakých koncentrácií katiónov a aniónov vo vnútri a mimo bunky.
Intra- a extracelulárne koncentrácie iónov (mmol/l) vo svalových bunkách teplokrvných živočíchov
Obraz je podobný v nervových bunkách. Je teda zrejmé, že hlavnú úlohu pri vytváraní negatívneho náboja vo vnútri bunky zohrávajú ióny K + a vysokomolekulárne intracelulárne anióny reprezentujú ich najmä proteínové molekuly s negatívne nabitými aminokyselinami (glutamát, aspartát) a organické fosfáty . Tieto anióny typicky nemôžu byť transportované cez membránu, čím vytvárajú permanentný negatívny vnútrobunkový náboj. Vo všetkých bodoch bunky je záporný náboj takmer rovnaký. Náboj vo vnútri bunky je negatívny ako absolútne (v cytoplazme je viac aniónov ako katiónov), tak aj vo vzťahu k vonkajšiemu povrchu bunkovej membrány. Absolútny rozdiel je malý, ale stačí na vytvorenie elektrického gradientu.
Hlavným iónom zabezpečujúcim tvorbu pokojového potenciálu (RP) je K +. V pokojovej bunke sa vytvorí dynamická rovnováha medzi počtom prichádzajúcich a odchádzajúcich iónov K +. Táto rovnováha sa vytvorí, keď elektrický gradient vyrovnáva koncentračný gradient. Podľa koncentračného gradientu vytvoreného iónovými pumpami má K+ tendenciu opustiť bunku, ale negatívny náboj vo vnútri bunky a kladný náboj na vonkajšom povrchu bunkovej membrány tomu bránia (elektrický gradient). V prípade rovnováhy sa na bunkovej membráne ustanoví rovnovážny draslíkový potenciál.
Rovnovážny potenciál pre každý ión možno vypočítať pomocou Nernstovho vzorca:
E ión = RT/ZF ln(o/i),
kde E ión je potenciál vytvorený daným iónom;
R – univerzálna plynová konštanta;
T – absolútna teplota (273+37°C);
Z – valencia iónov;
F – Faradayova konštanta (9,65·10 4);
O – koncentrácia iónov vo vonkajšom prostredí;
I je koncentrácia iónu vo vnútri bunky.
Pri teplote 37°C je rovnovážny potenciál pre K + -97 mV. Skutočný PP je však menší - asi -90 mV. Vysvetľuje to skutočnosť, že k tvorbe PP prispievajú aj iné ióny. Vo všeobecnosti je PP algebraický súčet rovnovážnych potenciálov všetkých iónov nachádzajúcich sa vo vnútri a mimo bunky, ktorý zahŕňa aj hodnoty povrchových nábojov samotnej bunkovej membrány.
Príspevok Na + a Cl - k tvorbe PP je malý, ale napriek tomu prebieha. V pokoji je vstup Na+ do bunky nízky (oveľa nižší ako K+), ale znižuje membránový potenciál. Účinok Cl je opačný, keďže ide o anión. Negatívny vnútrobunkový náboj bráni vstupu veľkého množstva Cl do bunky, takže Cl je primárne extracelulárny anión. Vo vnútri aj mimo bunky sa Na + a Cl - navzájom neutralizujú, v dôsledku čoho ich spoločný vstup do bunky nemá významný vplyv na hodnotu PP.
Vonkajšia a vnútorná strana membrány nesú svoje vlastné elektrické náboje, väčšinou so záporným znamienkom. Ide o polárne zložky membránových molekúl - glykolipidy, fosfolipidy, glykoproteíny. Ca2+, ako extracelulárny katión, interaguje s externými fixnými negatívnymi nábojmi, ako aj s negatívnymi karboxylovými skupinami interstícia, pričom ich neutralizuje, čo vedie k zvýšeniu a stabilizácii PP.
Na vytvorenie a udržanie elektrochemických gradientov je potrebná stála prevádzka iónových púmp. Iónová pumpa je transportný systém, ktorý zabezpečuje transport iónov proti elektrochemickému gradientu s priamou spotrebou energie. Gradienty Na + a K + sa udržiavajú pomocou Na/K – pumpy. Spojenie transportu Na + a K + znižuje spotrebu energie približne 2-krát. Vo všeobecnosti je energetický výdaj na aktívny transport enormný: samotná Na/K pumpa spotrebuje asi 1/3 celkovej energie vynaloženej telom v pokoji. 1ATP zabezpečuje jeden pracovný cyklus - prenos 3Na + z bunky a 2 K + do bunky. Asymetrický transport iónov tiež prispieva k vytvoreniu elektrického gradientu (približne 5 - 10 mV).
Normálna hodnota PP je nevyhnutnou podmienkou pre vznik bunkovej excitácie, t.j. šírenie akčného potenciálu, ktorý iniciuje špecifickú bunkovú aktivitu.
Akčný potenciál (AP)
AP je elektrofyziologický proces vyjadrený rýchlymi fluktuáciami membránového potenciálu v dôsledku špecifického pohybu iónov a schopným šírenia bez poklesu na veľké vzdialenosti. Amplitúda AP sa pohybuje v rozmedzí 80 – 130 mV, trvanie vrcholu AP v nervovom vlákne je 0,5 – 1 ms. Amplitúda akčného potenciálu nezávisí od sily stimulu. AP sa buď nevyskytuje vôbec, ak je podráždenie podprahové, alebo dosiahne maximálnu hodnotu, ak je podráždenie prahové alebo nadprahové. Hlavnou vecou pri výskyte AP je rýchly transport Na + do bunky, čo najskôr prispieva k zníženiu membránového potenciálu a potom k zmene negatívneho náboja vo vnútri bunky na pozitívny.
AP pozostáva z 3 fáz: depolarizácia, inverzia a repolarizácia.
1. Fáza depolarizácie. Keď na bunku pôsobí depolarizačný stimul, nastáva počiatočná čiastočná depolarizácia bez zmeny jej priepustnosti pre ióny (nedochádza k pohybu Na + do bunky, pretože rýchle napäťovo citlivé kanály pre Na + sú uzavreté). Na+ kanály majú nastaviteľný vtokový mechanizmus, ktorý je umiestnený na vnútornej a vonkajšej strane membrány. Existujú aktivačné brány (m – brána) a inaktivačné brány (h – brána). V pokoji m znamená, že brána je zatvorená a h znamená, že brána je otvorená. Membrána obsahuje aj K + kanály, ktoré majú len jednu bránu (aktivačnú bránu), v pokoji uzavretú.
Keď depolarizácia buniek dosiahne kritickú hodnotu (E cr - kritická úroveň depolarizácie, CLD), ktorá sa zvyčajne rovná 50 mV, priepustnosť pre Na + sa prudko zvýši - otvorí sa veľké množstvo napäťovo závislých m-brán Na + kanálov . Za 1 ms vstúpi do bunky cez 1 otvorený Na + kanál až 6000 iónov. Rozvíjajúca sa depolarizácia membrány spôsobuje dodatočné zvýšenie jej priepustnosti pre Na +, otvára sa čoraz viac m - vrát Na + kanálov, takže prúd Na + má charakter regeneračného procesu (zosilňuje sa). Akonáhle sa PP stane nulou, depolarizačná fáza končí.
2.Inverzná fáza. Vstup Na + do bunky pokračuje, pretože m - brána Na + - kanály sú stále otvorené, takže náboj vo vnútri bunky sa stáva kladným a vonkajším záporným. Teraz elektrický gradient bráni vstupu Na+ do bunky, ale pretože koncentračný gradient je silnejší ako elektrický gradient, Na+ stále prechádza do bunky. V momente, keď AP dosiahne svoju maximálnu hodnotu, zatvorí sa h – brána Na + kanálov (tieto brány sú citlivé na množstvo kladného náboja v bunke) a tok Na + do bunky sa zastaví. Súčasne sa otvárajú brány kanálov K + -. K+ je transportovaný von z bunky podľa chemického gradientu (v zostupnej fáze inverzie aj po elektrickom gradiente). Uvoľnenie kladných nábojov z bunky vedie k zníženiu jej náboja. K+ môže tiež opustiť bunku nízkou rýchlosťou cez nekontrolované K+ kanály, ktoré sú vždy otvorené. Všetky uvažované procesy sú regeneračné. Amplitúda AP je súčtom hodnoty AP a hodnoty inverznej fázy. Inverzná fáza končí, keď sa elektrický potenciál vráti na nulu.
3.Fáza repolarizácie. Je to spôsobené tým, že priepustnosť membrány pre K + je stále vysoká a opúšťa bunku pozdĺž koncentračného gradientu, napriek opozícii elektrického gradientu (článok vo vnútri má opäť záporný náboj). Uvoľňovanie K+ je zodpovedné za celú zostupnú časť vrcholu AP. Na konci AP sa často pozoruje spomalenie repolarizácie, ktoré je spojené s uzavretím významnej časti brány K + - kanálov, ako aj so zvýšením opačne smerovaného elektrického gradientu.
Membránový potenciál (MP) je potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným povrchom membrány excitabilnej bunky v podmienkach pokoja. V priemere v bunkách excitabilných tkanív MP dosahuje 50–80 mV, so znamienkom mínus vo vnútri bunky. Štúdia charakteru membránového potenciálu ukázala, že vo všetkých excitabilných bunkách (neuróny, svalové vlákna, myokardiocyty, bunky hladkého svalstva) je jeho prítomnosť spôsobená prevažne iónmi K+. Ako je známe, v excitabilných bunkách sa v dôsledku činnosti Na-K pumpy koncentrácia iónov K+ v cytoplazme za pokojových podmienok udržiava na úrovni 150 mM, zatiaľ čo v extracelulárnom prostredí je koncentrácia tohto iónu zvyčajne nepresahuje 4-5 mM. To znamená, že intracelulárna koncentrácia iónov K+ je 30–37-krát vyššia ako extracelulárna. Preto pozdĺž koncentračného gradientu majú ióny K+ tendenciu opustiť bunku do extracelulárneho prostredia. V pokojových podmienkach skutočne dochádza k toku iónov K+ opúšťajúcich bunku, zatiaľ čo k difúzii dochádza cez draslíkové kanály, z ktorých väčšina je otvorená. V dôsledku toho, že membrána excitabilných buniek je nepriepustná pre vnútrobunkové anióny (glutamát, aspartát, organické fosfáty), vzniká na vnútornom povrchu bunkovej membrány v dôsledku uvoľňovania iónov K+ prebytok negatívne nabitých častíc, a na vonkajšom povrchu sa tvorí prebytok kladne nabitých častíc. Vzniká potenciálový rozdiel, t.j. membránový potenciál, ktorý zabraňuje nadmernému uvoľňovaniu iónov K+ z bunky. Pri určitej hodnote MF nastáva rovnováha medzi výstupom iónov K+ pozdĺž koncentračného gradientu a vstupom (návratom) týchto iónov pozdĺž výsledného elektrického gradientu. Membránový potenciál, pri ktorom sa dosiahne táto rovnováha, sa nazýva rovnovážny potenciál. Okrem K+ iónov prispievajú k vytvoreniu membránového potenciálu aj ióny Na+ a Cl. Konkrétne je známe, že koncentrácia iónov Na+ v extracelulárnom prostredí je 10-krát vyššia ako vo vnútri bunky (140 mM oproti 14 mM). Preto majú ióny Na+ v pokojových podmienkach tendenciu prenikať do bunky. Hlavná časť sodíkových kanálov je však za pokojových podmienok uzavretá (relatívna permeabilita pre ióny Na+, súdiac podľa experimentálnych údajov získaných na obrom axóne chobotnice, je 25-krát nižšia ako pre ióny K+). Preto sa do bunky dostane len malý tok iónov Na+. Ale to stačí na aspoň čiastočnú kompenzáciu prebytku aniónov vo vnútri bunky. Koncentrácia Cl- iónov v extracelulárnom prostredí je tiež vyššia ako vo vnútri bunky (125 mM oproti 9 mM), a preto tieto anióny majú tiež tendenciu prenikať do bunky, zjavne cez chloridové kanály.
Membránový potenciál
Pokojový membránový potenciál veľkých nervových vlákien, keď nimi neprechádzajú žiadne nervové signály, je asi -90 mV. To znamená, že potenciál vo vnútri vlákna je o 90 mV zápornejší ako potenciál extracelulárnej tekutiny mimo vlákna. Ďalej si vysvetlíme všetky faktory, ktoré určujú úroveň tohto pokojového potenciálu, najskôr je však potrebné popísať transportné vlastnosti membrány nervového vlákna pre sodíkové a draselné ióny v pokojových podmienkach. Aktívny transport iónov sodíka a draslíka cez membránu. Sodno-draselná pumpa. Pripomeňme si, že všetky bunkové membrány tela majú silný Na+/K+-Hacoc, ktorý neustále pumpuje sodíkové ióny von z bunky a pumpuje do nej ióny draslíka. Toto je elektrogénna pumpa, pretože viac kladných nábojov sa pumpuje smerom von ako dovnútra (3 sodíkové ióny na každé 2 draselné ióny). V dôsledku toho sa vo vnútri bunky vytvára všeobecný nedostatok kladných iónov, čo vedie k negatívnemu potenciálu vo vnútri bunkovej membrány. Na+/K+-Hacoc tiež vytvára veľký koncentračný gradient pre sodík a draslík cez membránu nervových vlákien v pokoji: Na+ (externé): 142 mEq/L Na+ (vnútri): 14 mEq/L K+ (externé): 4 mEq/L K + (vnútri): 140 meq/l V súlade s tým je pomer koncentrácií dvoch iónov vo vnútri a vonku: Na vnútri / Na vonku - 0,1 K vo vnútri / -K vonku = 35,0
Únik draslíka a sodíka cez membránu nervových vlákien. Obrázok ukazuje kanálový proteín v membráne nervových vlákien nazývaný draslíkovo-sodíkový únikový kanál, cez ktorý môžu prechádzať ióny draslíka a sodíka. Únik draslíka je obzvlášť významný, pretože kanály sú priepustnejšie pre ióny draslíka ako sodík (normálne asi 100-krát priepustnejšie). Ako je uvedené nižšie, tento rozdiel v permeabilite je mimoriadne dôležitý pri určovaní úrovne normálneho pokojového membránového potenciálu.
Takže hlavné ióny, ktoré určujú veľkosť MP, sú ióny K+ opúšťajúce bunku. Ióny Na+ vstupujúce do bunky v malých množstvách čiastočne znižujú veľkosť MP a ióny Cl-, ktoré tiež vstupujú do bunky v pokojových podmienkach, do určitej miery kompenzujú tento účinok iónov Na+. Mimochodom, v mnohých experimentoch s rôznymi excitabilnými bunkami sa zistilo, že čím vyššia je permeabilita bunkovej membrány pre ióny Na+ v pokojových podmienkach, tým nižšia je hodnota MP. Aby sa MF udržala na konštantnej úrovni, je potrebné zachovať iónovú asymetriu. Na tento účel sa používajú najmä iónové pumpy (Na-K pumpa a pravdepodobne aj Cl pumpa), ktoré obnovujú iónovú asymetriu, najmä po akte excitácie. Pretože tento typ transportu iónov je aktívny, t. j. vyžaduje energiu, je na udržanie potenciálu bunkovej membrány nevyhnutná stála prítomnosť ATP.
Povaha akčného potenciálu
Akčný potenciál (AP) je krátkodobá zmena rozdielu potenciálov medzi vonkajším a vnútorným povrchom membrány (alebo medzi dvoma bodmi v tkanive), ku ktorej dochádza v momente excitácie. Pri zaznamenávaní akčného potenciálu neurónov pomocou mikroelektródovej technológie sa pozoruje typický potenciál v tvare vrcholu. V zjednodušenej forme, keď dôjde k AP, možno rozlíšiť nasledujúce fázy: počiatočné štádium depolarizácie, potom rýchly pokles membránového potenciálu na nulu a opätovné nabitie membrány, potom obnovenie pôvodnej úrovne membránového potenciálu ( dochádza k repolarizácii). Hlavnú úlohu v týchto procesoch zohrávajú ióny Na+, depolarizácia je spočiatku spôsobená miernym zvýšením permeability membrány pre ióny Na+. Ale čím vyšší je stupeň depolarizácie, tým vyššia je priepustnosť sodíkových kanálov, tým viac sodíkových iónov vstupuje do bunky a tým vyšší je stupeň depolarizácie. Počas tohto obdobia sa nielen zníži potenciálny rozdiel na nulu, ale zmení sa aj polarizácia membrány - vo výške vrcholu PD sa vnútorný povrch membrány nabije kladne voči vonkajšiemu. Repolarizačné procesy sú spojené so zvýšeným uvoľňovaním iónov K+ z bunky cez otvorené kanály. Vo všeobecnosti je potrebné poznamenať, že generovanie akčného potenciálu je zložitý proces, ktorý je založený na koordinovanej zmene permeability plazmatickej membrány na dva alebo tri hlavné ióny (Na+, K+ a Ca++). Hlavnou podmienkou excitácie excitovateľnej bunky je zníženie jej membránového potenciálu na kritickú úroveň depolarizácie (CDL). Akýkoľvek stimul alebo činidlo, ktoré môže znížiť membránový potenciál excitabilnej bunky na kritickú úroveň depolarizácie, je schopné túto bunku excitovať. Akonáhle MP dosiahne úroveň CUD, proces bude pokračovať sám a povedie k otvoreniu všetkých sodíkových kanálov, t.j. ku vytvoreniu plnohodnotného AP. Ak membránový potenciál nedosiahne túto úroveň, potom v najlepšom prípade nastane takzvaný lokálny potenciál (lokálna odozva).
V mnohých excitabilných tkanivách nie je hodnota membránového potenciálu v čase konštantná - periodicky klesá (t.j. dochádza k spontánnej depolarizácii) a nezávisle dosahuje CUD, čo vedie k spontánnej excitácii, po ktorej sa membránový potenciál obnoví na pôvodnú hodnotu. úroveň a potom sa cyklus opakuje. Táto vlastnosť sa nazýva automatizácia. Na excitáciu väčšiny excitabilných buniek je však nevyhnutná prítomnosť vonkajšieho (vzhľadom na tieto bunky) stimulu.
