Природа и механизмы генерации биопотенциалов

1. БИОПОТЕНЦИАЛЫ

ЛЕКЦИЯ 1.
ПРИРОДА И
МЕХАНИЗМЫ
ГЕНЕРАЦИИ
БИОПОТЕНЦИАЛОВ
1. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ.
ПРИРОДА БП.
2. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ.
СТАЦИОНАРНЫЙ
ПОТЕНЦИАЛ ГОЛЬДМАНА.
3. ГЕНЕРАЦИЯ
ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ.
4. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
БИОПОТЕНЦИАЛОВ.

2. 1. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ. ПРИРОДА БП

БИОПОТЕНЦИАЛЫ – ЛЮБЫЕ
РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ
В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ:
РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТ
• между содержимым клетки
и окружающей ее средой,
ЭТО ХАРАКТЕРНАЯ ЧЕРТА
ЖИВОГО.
• между возбужденным и
невозбужденным участками клетки,
РАЗЛИЧАЮТ
БИОПОТЕНЦИАЛЫ ДВУХ
ВИДОВ:
• между участками одного и
того же органа, находящимися в различных физиологических состояниях.
• ПОТЕНЦИАЛЫ ПОКОЯ
(ПП) и
• ПОТЕНЦИАЛЫ
ДЕЙСТВИЯ (ПД).

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПП и ПД

• ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ –
ПОСТОЯННО
СУЩЕСТВУЮЩАЯ
в живой системе разность
потенциалов,
характерная для
СТАЦИОНАРНОГО
СОСТОЯНИЯ системы
(состояния
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО
ПОКОЯ).
• ПП ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ
ПОСТОЯННО
ПРОТЕКАЮЩИМИ
ЗВЕНЬЯМИ ОБМЕНА
ВЕЩЕСТВ.
• ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
– БЫСТРО
ВОЗНИКАЮЩАЯ
И ВНОВЬ ИСЧЕЗАЮЩАЯ
разность потенциалов,
характерная для
ПЕРЕХОДНЫХ
ПРОЦЕССОВ.

4. ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

• Тесная связь с
метаболическими
процессами
• ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ДИАГНОСТИКИ:
ПОКАЗАТЕЛЬ
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ
ОРГАНИЗМА.
• ИХ ВЕЛИЧИНА И
ХАРАКТЕР
ИЗМЕНЕНИЯ В КЛЕТКАХ
ЭКГ –
в норме и при
патологии.
электрокардиография,
ЭЭГ – электроэнцефалография,
ЭМГ – электромиография,
ЭГГ –
электрогастрография,
ЭОГ - электроокулография

5. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БП

• В основе
возникновения
биопотенциалов –
НЕСИММЕТРИЧНОЕ
ОТНОСИТЕЛЬНО
МЕМБРАНЫ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ,
т.е. наличие
КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ
ИОННЫХ ГРАДИЕНТОВ
через мембрану.
Это – необходимое
условие.
Непосредственная
причина –
РАЗНАЯ СКОРОСТЬ
ДИФФУЗИИ
РАЗЛИЧНЫХ ИОНОВ
по своим градиентам,
определяемая
СЕЛЕКТИВНЫМИ
СВОЙСТВАМИ
МЕМБРАНЫ.

6. ПРИРОДА БИОПОТЕНЦИАЛОВ

БИОПОТЕНЦИАЛЫ –
ИОННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
преимущественно
МЕМБРАННОЙ
ПРИРОДЫ.
В настоящее время
общепринята
МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ
БИОПОТЕНЦИАЛОВ.
• Автор - БЕРНШТЕЙН.
• Развита благодаря
работам ученых:
ХОДЖКИН, КАТЦ, ХАКСЛИ.

7. 2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

НАТРИЕВЫЙ НАСОС
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ
ГРАДИЕНТ
ИОНОВ НАТРИЯ,
НАПРАВЛЕННЫЙ
ВНУТРЬ КЛЕТКИ
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ
ГРАДИЕНТ
ИОНОВ КАЛИЯ,
НАПРАВЛЕННЫЙ
ИЗ КЛЕТКИ НАРУЖУ

8. СОЗДАНИЕ ПП

В СОСТОЯНИИ
ПОКОЯ
КЛЕТКА ПРОНИЦАЕМА
ГЛАВНЫМ
ОБРАЗОМ
для
ИОНОВ КАЛИЯ.
• ИОНЫ КАЛИЯ
ДИФФУНДИРУЮТ ПО
КОНЦЕНТРАЦИОННОМУ
ГРАДИЕНТУ
ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ
МЕМБРАНУ
ИЗ КЛЕТКИ В ОКРУЖАЮЩУЮ
ЖИДКОСТЬ.
• КРУПНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ
АНИОНЫ,
имеющиеся в клетке,
НЕ МОГУТ ПРЕОДОЛЕТЬ
МЕМБРАНУ.

9. СОЗДАНИЕ ПП

ИОНЫ НАТРИЯ
проходят через мембрану,
но
проницаемость для них в
покое
гораздо меньше.
Также значительно
меньше, чем для калия,
проницаемость мембраны
в покое
для ИОНОВ ХЛОРА Cl-.
PK : PNa : PCl
В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ
1 : 0,04 : 0,45
е
i
Na+ Cl+++
___
К+

10. СОЗДАНИЕ ПП

Благодаря сильному
оттоку калия из клетки
ВНЕШНЯЯ
ПОВЕРХНОСТЬ
МЕМБРАНЫ
ЗАРЯЖАЕТСЯ
ПОЛОЖИТЕЛЬНО,
А ВНУТРЕННЯЯ –
ОТРИЦАТЕЛЬНО.
ВОЗНИКАЮЩЕЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
НАЧИНАЕТ ТОРМОЗИТЬ
ВЫХОД КАЛИЯ ИЗ КЛЕТКИ,
И В КОНЕЧНОМ ИТОГЕ
В СИСТЕМЕ
УСТАНАВЛИВАЕТСЯ
СТАЦИОНАРНОЕ
СОСТОЯНИЕ.
• РАЗНОСТЬ
ПОТЕНЦИАЛОВ ЧЕРЕЗ
МЕМБРАНУ В ЭТОМ
СОСТОЯНИИ – ПП.

11. СОЗДАНИЕ ПП

ЕЩЕ ОДНА ПРИЧИНА
ВОЗНИКНОВЕНИЯ В ПОКОЕ
РАЗНОСТИ
ПОТЕНЦИАЛОВ
ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ:
ЭЛЕКТРОГЕННОСТЬ
КАЛИЙ-НАТРИЕВОГО
НАСОСА
(выводится в сумме
заряд +3, вводится +2).
Таким образом, насос
участвует в создании
потенциала покоя
двумя способами:
1) непосредственно
создавая
электрический
потенциал;
2) опосредованно,
через создание
концентрационных
ионных градиентов.

12. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПП

С учетом только
калиевой
проницаемости –
e
++++
i
––––
К+
по
УРАВНЕНИЮ
НЕРНСТА:
RT CKi
ПП
ln e
F
CK

13. УРАВНЕНИЕ ГОЛЬДМАНА

• Поток Na+ ВНУТРЬ
КЛЕТКИ
УМЕНЬШЕНИЕ
МЕМБРАННОГО
ПОТЕНЦИАЛА
• Поток Cl - ВНУТРЬ
КЛЕТКИ
УВЕЛИЧЕНИЕ
МЕМБРАННОГО
ПОТЕНЦИАЛА
• С УЧЕТОМ ДИФФУЗИИ
ВСЕХ ТРЕХ ИОНОВ
(Na+, K+, Cl-)
и
• в предположении
ОДНОРОДНОСТИ ЭП
ПО ВСЕЙ ТОЛЩИНЕ
МЕМБРАНЫ
УРАВНЕНИЕ
ГОЛЬДМАНА

14. УРАВНЕНИЕ ГОЛЬДМАНА

RT PK C PNa C PCl C
ПП
ln
F PK C PNa C PCl C
i
K
e
K
i
Na
e
Na
e
Cl
i
Cl

15. 3. ГЕНЕРАЦИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

16. А) Условия возникновения ПД

Любой внешний или
внутренний фактор,
действующий на
систему и изменяющий ее
состояние, -
«раздражитель».
РАЗДРАЖИТЕЛЬ
МИНИМАЛЬНОЙ СИЛЫ,
необходимой для
ИНИЦИАЦИИ ПД, «ПОРОГОВЫЙ».
Раздражители большей
силы –
«надпороговые»,
меньшей силы –
«подпороговые».
Пороговая сила
раздражителя находится
в обратной зависимости
от его длительности (в
определенных
пределах).

17. Условия возникновения ПД

ПД ВОЗНИКАЕТ ЛИШЬ
ПРИ ДЕЙСТВИИ
РАЗДРАЖИТЕЛЯ
ДОСТАТОЧНОЙ СИЛЫ И
ДЛИТЕЛЬНОСТИ –
ПОРОГОВОГО
или
НАДПОРОГОВОГО.
«ПД» –
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ИМПУЛЬС
ХАРАКТЕРНОЙ
ФОРМЫ,
РАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ
ВДОЛЬ ВСЕЙ
МЕМБРАНЫ.

18. Б) Фазы ПД

ПД СОСТОИТ ИЗ ДВУХ
ОСНОВНЫХ ФАЗ:
• ВОСХОДЯЩАЯ ФАЗА,
или
ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ,
и
• НИСХОДЯЩАЯ ФАЗА,
или
ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ.
ВОЗМОЖНО ТАКЖЕ
НАЛИЧИЕ
• ФАЗЫ
ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ.

19. Содержание фаз

• ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ БЫСТРАЯ ПЕРЕЗАРЯДКА
МЕМБРАНЫ:
ВНУТРИ «+», СНАРУЖИ «-».
• ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ –
ВОЗВРАЩЕНИЕ ЗАРЯДА И
ПОТЕНЦИАЛА МЕМБРАНЫ
К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ
(ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПП).
• ФАЗА
ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ –
ВРЕМЕННОЕ ПРЕВЫШЕНИЕ
УРОВНЯ ПОКОЯ,
ПРЕДШЕСТВУЮЩЕЕ
ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПП
(БОЛЬШИЙ «-» ВНУТРИ).

20.

АМПЛИТУДА ПД
ЗАМЕТНО
ПРЕВЫШАЕТ
АМПЛИТУДУ ПП. –
ОВЕРШУТ («ПЕРЕЛЕТ»).

21. В) МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ПД

МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ:
ПД – РЕЗУЛЬТАТ
ИЗМЕНЕНИЯ
ИОННОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ
МЕМБРАНЫ.
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
МЕМБРАНЫ ДЛЯ
ИОНОВ НАТРИЯ ЕСТЬ
ФУНКЦИЯ
МЕМБРАННОГО
ПОТЕНЦИАЛА :
МП
НАТРИЕВАЯ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ .

22. ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ

ДЕЙСТВИЕ ПОРОГОВОГО РАЗДРАЖИТЕЛЯ
↓
Уменьшение МП до критической величины
(критическая деполяризация)
↓
Резкое увеличение натриевой проницаемости
↓
Усиленный приток натрия в клетку по градиенту
↓
Дальнейшая деполяризация мембраны
↓
П.О.С.
Перезарядка мембраны
(внутри плюс, снаружи минус)

23. ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ

ПРОЦЕСС РАЗВИВАЕТСЯ
ПО МЕХАНИЗМУ
ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
(П.О.С.):
приток натрия в клетку
все более деполяризует мембрану, а это
приводит к еще
большему росту
натриевой
проницаемости.
В КОНЕЧНОМ ИТОГЕ
ПРОИСХОДИТ ПЕРЕЗАРЯДКА
МЕМБРАНЫ:
ее внутренняя
поверхность
приобретает
положительный
заряд, а наружная –
отрицательный.
Иными словами, происходит
РЕВЕРСИЯ МЕМБРАННОГО
ПОТЕНЦИАЛА.

24. ФАЗА ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ

PK : PNa : PCl
• В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ
1 : 0,04 : 0,45
• НА ВЫСОТЕ ФАЗЫ
ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ
1 : 20 : 0,45
В ПРОЦЕССЕ ФАЗЫ
ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
МЕМБРАНЫ ДЛЯ
ИОНОВ КАЛИЯ И ХЛОРА
НЕ МЕНЯЕТСЯ, А ДЛЯ
ИОНОВ НАТРИЯ
УВЕЛИЧИВАЕТСЯ В
500 РАЗ.

25. ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ

Когда «+» заряд на
внутренней поверхности мембраны
становится достаточен
для уравновешивания
концентрационного
градиента натрия,
усиленное поступление
натрия в клетку
прекращается. –
Наступает ФАЗА
РЕПОЛЯРИЗАЦИИ.
Она начинается
с увеличения
проницаемости
мембраны
ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ.

26.

УВЕЛИЧЕНИЕ проницаемости мембраны
ДЛЯ ИОНОВ КАЛИЯ
Усиленный выход калия
из клетки по градиенту
Уменьшение «+» заряда
на внутренней поверхности мембраны,
обратное изменение МП
УМЕНЬШЕНИЕ НАТРИЕВОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Уменьшение притока натрия в клетку

27. ФАЗА РЕПОЛЯРИЗАЦИИ

Обратная перезарядка мембраны
УМЕНЬШЕНИЕ калиевой проницаемости,
ЗАМЕДЛЕНИЕ оттока калия из клетки
Таким образом,
за фазу реполяризации происходят три
последовательных изменения мембранной
проницаемости:
1) увеличение для калия,
2) уменьшение для натрия,
3) уменьшение для калия.

28.

К КОНЦУ ФАЗЫ
РЕПОЛЯРИЗАЦИИ
МЕМБРАННЫЙ
ПОТЕНЦИАЛ
ВОЗВРАЩАЕТСЯ
К УРОВНЮ ПОКОЯ.
ОДНАКО
УРОВЕНЬ ПОКОЯ
ПРОНИЦАЕМОСТИ
ДЛЯ НАТРИЯ И КАЛИЯ
МОЖЕТ ДОСТИГАТЬСЯ
НЕОДНОВРЕМЕННО.
ЕСЛИ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
МЕМБРАНЫ ДЛЯ
КАЛИЯ ЕЩЕ
ПОВЫШЕНА,
А ДЛЯ НАТРИЯ УЖЕ
ВЕРНУЛАСЬ К
УРОВНЮ ПОКОЯ –
возникает фаза
ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИИ.

29. Р Е З Ю М Е

РЕЗЮМЕ
ПД формируется двумя
ионными потоками
через мембрану:
• ПОТОК ИОНОВ НАТРИЯ
ВНУТРЬ КЛЕТКИ
ПРИВОДИТ К
ПЕРЕЗАРЯДКЕ
МЕМБРАНЫ,
• ПОТОК ИОНОВ КАЛИЯ
ИЗ КЛЕТКИ НАРУЖУ
ОБУСЛОВЛИВАЕТ
ВОССТАНОВЛЕНИЕ
ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ.
ПОТОКИ
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО
РАВНЫ ПО ВЕЛИЧИНЕ,
НО СДВИНУТЫ ВО
ВРЕМЕНИ.

30. Уточнения

• Диффузия ионов через
клеточную мембрану в
процессе генерации ПД
осуществляется ПО
КАНАЛАМ. КАНАЛЫ
ВЫСОКО СЕЛЕКТИВНЫ.
• При каждом акте генерации
ПД клетка
ПРИОБРЕТАЕТ определенное
количество НАТРИЯ
и ТЕРЯЕТ ТАКОЕ ЖЕ
КОЛИЧЕСТВО КАЛИЯ.
УВЕЛИЧЕНИЕ
ПРОНИЦАЕМОСТИ
МЕМБРАНЫ ДЛЯ
ДАННОГО ИОНА
ОБЪЯСНЯЕТСЯ
ОТКРЫТИЕМ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ
КАНАЛОВ ДЛЯ ЭТОГО
ИОНА.
НО ВЫРАВНИВАНИЯ
КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭТИХ
ИОНОВ МЕЖДУ КЛЕТКОЙ И
СРЕДОЙ НЕ ПРОИСХОДИТ
БЛАГОДАРЯ РАБОТЕ
КАЛИЙ-НАТРИЕВОГО
НАСОСА.

31. 4. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БП

1. Метод ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО
ОТВЕДЕНИЯ
2. ФИКСАЦИЯ
НАПРЯЖЕНИЯ
на мембране.
3. ПЕРФУЗИЯ нервных
волокон.
ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ
ОТВЕДЕНИЕ

32. ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ОТВЕДЕНИЕ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПП
И РЕГИСТРАЦИИ ПД:
ОДИН ЭЛЕКТРОД – В
МЕЖКЛЕТОЧНОЙ ЖИДКОСТИ,
ДРУГОЙ – МИКРОЭЛЕКТРОД –
В ЦИТОПЛАЗМЕ.
МЕЖДУ НИМИ –
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР.
ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПД
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ:
СТИМУЛЯЦИЯ КЛЕТКИ
НАДПОРОГОВЫМИ
ТОКАМИ. –
ЕЩЕ ОДНА ПАРА
ЭЛЕКТРОДОВ,
СВЯЗАННЫХ С
ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ.
НА МИКРОЭЛЕКТРОДЕ «+»!

33. ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ОТВЕДЕНИЕ

МИКРОЭЛЕКТРОД –
«ПИПЕТКА», ЗАПОЛНЕННАЯ
KCl,
КОНЧИК ОТТЯНУТ ДО
ДИАМЕТРА В ДОЛИ
МИКРОНА.
ПРИ ВВЕДЕНИИ В КЛЕТКУ
МЕМБРАНА ПЛОТНО
ОХВАТЫВАЕТ ЕГО,
И ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТКИ
ПРАКТИЧЕСКИ НЕ
ПРОИСХОДИТ.
ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПП
НЕКОТОРЫХ КЛЕТОК:
• Nitella
120 мВ
• Гигантский аксон
кальмара
60 мВ
• КЛЕТКИ МИОКАРДА
ЧЕЛОВЕКА
90 мВ

34. ФИКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА МЕМБРАНЕ

В ОПРЕДЕННЫЙ МОМЕНТ РАЗВИТИЕ ПД ПРИОСТАНАВЛИВАЕТСЯ (с помощью специальной электронной схемы).
При этом ФИКСИРУЮТСЯ И СВОЙСТВЕННЫЕ ДАННОЙ
СТАДИИ ПД ИОННЫЕ ПОТОКИ
ПОЯВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ.
ПЕРФУЗИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН
ЗАМЕНА АКСОПЛАЗМЫ ИСКУССТВЕННЫМИ РАСТВОРАМИ
РАЗЛИЧНОГО ИОННОГО СОСТАВА.
ПОЯВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНИТЬ РОЛЬ КАЖДОГО
ИОНА.