Биологические потенциалы

1.

Раздел: Биофизика мембранных процессов
Тема: Биологические потенциалы

2.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

3. Биологические потенциалы

• Основная функция БМ-генерация и
передача биопотенциалов
Основа возбудимости клеток
Регуляция внутриклеточных процессов
Регуляция работы нервной системы
Регуляция мышечного сокращения
Регуляция рецепции

4. ЭП позволяют

• Электрокардиография (активность сердца)
• Электроэнцефалография (активность
головного мозга)
• Электромиография (мышечная активность)

5. Электрические потенциалы

• Окислительно-восстановительные –
вследствие переноса электронов от одних
молекул к другим
• Мембранные – возникают вследствие
градиента концентрации ионов по разные
стороны мембраны
Мембранные потенциалы – биопотенциалы,
которые в основном регистрируются в
организме

6. Экспериментальное исследование БП

• Разработка микроэлектродного метода
внутриклеточного измерения БП
• Создание специальных усилителей БП
• Выбор объекта исследования – крупные
клетки – АКСОН КАЛЬМАРА
( 0,5мм > позвоночных)

7. Экспериментальное исследование БП

Стеклянная пипетка
стеклянный электрод

8. Схема регистрации мембранного потенциала

нар
м в н нар i o

9. Виды потенциалов

Потенциал покоя
Потенциал действия
- разная концентрация ионов
- диффузия ионов через БМ
м в н нар i o

10. Потенциал покоя

м в н нар i o
• Стационарная разность потенциалов в
клетке, регистрируемая между наружной и
внутренней поверхностью мембраны,
находящейся в невозбужденном состоянии
• Обусловлен различными концентрациями
ионов во внутриклеточном и наружном
растворах

11.

- разная концентрация ионов
- диффузия ионов через БМ
-Свн Снар
-Мембрана проницаема
Поток заряженных частиц через БМ
Нарушение электронейтральности системы
м в н нар i o
Потенциал препятствует дальнейшему перемещению ионов через БМ
Равновесие ЭХП

12.

Равновесие ЭХП
вн нар
0 RT ln C ZF
RT ln Cвн ZF вн RT ln Cнар ZF нар
формула Нернста-Планка
для равновесного мембранного потенциала
вн нар
р
м
Cвн
RT Cнар
RT
ln
ln
ZF Cвн
ZF Cнар

13. Значения потенциала покоя

14. Формула Нернста-Планка для равновесного мембранного потенциала

Cвн
RT
ln
ZF Cнар
р
м
Z
1
RT
K
вн
мр, K
ln
0
ZF
K нар
K в н K нар
Z
1
RT
Na
вн
мр, Na
ln
0
ZF
Na нар
Na в н Na нар
Z
1
RT
Cl
вн
мр,Cl
ln
0
ZF
Cl нар
Cl в н Cl нар

15. Электродиффузионный транспорт через БМ

Элетродиффузия – пассивный транспорт ионов через БМ
вн нар
1. Отсутствуют суммарные ионные токи:
Потенциал Нернста определяется концентрацией ионов в
растворе
Cвн
RT
ln
ZF Cнар
р
м
2. Ионные токи не равны 0: вн нар
Пассивное движение ионов по градиенту ЭХП
возникает диффузионная разность потенциалов, которая
зависит от:
- Ионных концентраций
- Подвижности ионов

16. Способы описания процесса перехода ионов через БМ

• Дискретный
• Непрерывный
Ионы преодолевают БМ с
помощью нескольких
дискретных перескоков
через активационные
барьеры
Ионы движутся через БМ
независимо и не
взаимодействуя друг с
другом. БМ является
гомогенной фазой
Описание транспорта ионов
через селективные
каналы клеточной
мембраны
Описание транспорта
ионов через
искусственные БЛМ

17. Непрерывное описание диффузии

• Уравнение Нернста-Планка:
0 RT ln C ZF
d
dC
d
URT
J CU
UZFC
dx
dx
1. ЭХ равновесие dx
2. Отсутствие ЭХ равновесия
3. Приближение постоянного поля

18. ЭХ равновесие

1 2 J 0
1 dC
ZF d
C dx
RT dx
RT Co
0
2 1 м
ln
м
ZF Ci
Потенциал Нернста – определение равновесной разности
потенциалов на БМ – мембранный потенциал

19. Потенциал Нернста для одновалентных ионов

Дж
8,3
* 300 К
Co
Co
0
Кмоль
м
2,3 * ln
0,06 ln
Кл
C
C
i
i
1* 96500
моль
экспер
0
К : м
м
• 1902г Берштейн – причина возникновения
мембранного потенциала – диффузия
ионов К+ из клетки во внеклеточную среду

20. Отсутствие ЭХ равновесия

• Подход Гендерсона-Планка:
- Концентрация катионов и анионов в любой
плоскости, перпендикулярной
направлению переноса – одинаковая:
С+=С-=С
- В стационарном состоянии электрический
ток через БМ отсутствует
- Для бинарного электролита: Z+=-Z-=1

21. Отсутствие ЭХ равновесия

dC
d
J URT
UZFC
dx
dx
J
J
dC
d
dC
d
U RT
U FC
U RT
U FC
dx
dx
dx
dx
d U U RT 1 dC
dx U U F C dx
U U RT Ci
2 1 м
ln
U U F
Co

22. Уравнение Гендерсона

U U RT C2
м
ln
U U F
C1
U+ U—- подвижность катиона и аниона в БМ
расчет диффузионного потенциала, возникающего
между двумя электролитами
Уравнение Гендерсона применимо:
-Для мембран макроскопической толщины 1 мкм
-Не применимо для липидных и клеточных мембран, где
не выполняется условие локальной
электронейтральности по всей толщине мембраны

23. Приближение постоянного поля

• Предположение о линейности изменения
потенциала ЭП по всей толщине БМ
d
dx
E const
• Для тонких БМ, в которых концентрация
носителей мала, а толщина двойного слоя –
велика

24. Приближение постоянного поля

Снаружи
1
2
Внутри
м
h
x
J
0
Co=KC1м C1м
C2м Ci=KC2м

25. Профиль поля - линеен

d м
const
dx
h
h
dC
d
J URT
UZFC
dx
dx
dC ZFC d
J
dx
RT dx
URT
dC
AC B
dx
C 2м
h
dC
м AC B 0 dx
C
1

26.

C 2м
h
dC
м AC B 0 dx
C
1
м Ah
1
B C C e
Ah
A
e 1
м
2
ZF
C C exp
м
UFZ
RT
J
м
h
ZF
exp
м 1
RT
м
2
м
1

27.

ZF
C C exp
м
м
C
UFZ
RT
1 KC0
J
м
м
h
ZF
C2 KCi
exp
м 1
RT
ZF
Ci Co exp
м
ZF
RT
J
мP
RT
ZF
exp
м 1
RT
URT
P
K
h
м
2
м
1

28.

URT
P
K
h
• Р – коэффициент проницаемости БМ
• К – коэффициент растворения, который
зависит от липофильности иона
1943 Гольдман + 1949 Ходжкин и Катц

29. Разность потенциалов, создаваемая в БМ в результате совместной диффузии ионов

• В равновесии
I K I Na I Cl 0
F м
PK K i PK K o exp
RT
F м
PNa Na i PK Na o exp
RT
F м
PCl Cl o PK Cl i exp
0
RT

30.

RT PK K i PNa Na i PCl Cl o
м
ln
F
PK K o PNa Na o PCl Cl i
• Потенциал на БМ определяется:
- Различием в стационарных концентрациях
ионов по обе стороны БМ
- Разными коэффициентами проницаемости
БМ для различных ионов

31. Соотношение Уссинга-Теорелла

J Ji Jo
ZFP
J Ji
м
RT
Co
ZF
1 exp
м
RT
ZF
Ci exp
м
ZFP
RT
J Jo
м
RT
ZF
1 exp
м
RT
Ji
Co
Jo
ZF
Ci exp
м
RT

32. Критерии пассивного транспорта

• Поток ионов через БМ обусловлен:
- Только градиентом концентрации ионнов кго типа
- Действием ЭП
- Нарушение соотношения Уссинга-Теорелла
– существование АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА

33.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

34. Потенциал действия

• Открыт в 18 в. Луиджи Гальвани:
• 1. мышечные сокращения
препарированной лягушки могут вызваться
электрическим импульсом
• 2. сама живая система является источником
электрического импульса

35. Потенциал действия

• 19в. Гельмгольц: показано, что скорость
распространения нервного импульса (1-100
м/с) значительно меньше скорости
распространения электрического импульса
по проводам (3*108 м/с)

36. Потенциал действия

• 20 в. А.Ходжкин: нервный импульс-импульс
электрического тока
• 1963 г. Ходжкин, Хаксли и Иклс –
Нобелевская премия по медицине «за
оперирование нервных клеток»

37. Потенциал действия

• Электрический импульс, обусловленный
изменением ионной проницаемости
мембраны и связанный с
распространением по нервам и мышцам
волны возбуждения
Методы:
1. Микроэлектродов с использованием
высокоомных измерителей напряжения
2. Меченных атомов

38. Исследование потенциала действия: схема опыта

Г – генератор импульсов
Р – регистратор напряжения

39. Регистрация потенциала действия

мп потенциал покоя
мрев потенциал реверсии
мД амплитуда потенциала действия
мпор пороговый потенциал

40. Потенциал действия – ПД – не зависит от амплитуды деполяризующего потенциала

Д
м
п
м
рев
м
мп потенциал покоя
мрев потенциал реверсии
мД амплитуда потенциала действия

41. Свойства ПД

1. Наличие порогового значения
деполяризующего потенциала
2. Закон «все или ничего»
3. Период рефрактерности
4. Резкое снижение сопротивления БМ в
момент возбуждения (покой: 0,1 Ом*м2,
возбуждение: 0,0025 Ом*м2)

42. Положительный потенциал реверсии имеет Na природу

RT PK K i PNa Na i PCl Cl o
м
ln
F
PK K o PK Na o PK Cl i
RT Cвнут
м
ln
ZF Cнар

43. Проницаемость БМ

• В состоянии покоя:
РК : РNa : РCl = 1 : 0,04 : 0,45
• В состоянии возбуждения:
РК : РNa : РCl = 1 : 20 : 0,45

44. Уравнение Ходжкина-Хаксли

d м
I м См
Ii
dt
I м ток через мембрану
С м емкость мембраны
I
i
сумма ионных токов через мембрану
d м
I м См
I K I Na I ут
dt

45. Эквивалентная электрическая схема элемента возбудимой мембраны

d м
I м См
I K I Na I ут
dt

46. Т. Х-Х: Возбуждение элемента мембраны связано с изменением проводимости мембраны для ионов натрия и калия

I i g i ( м i )
p
1
g i проводимость мембраны
Ri
d м
р
р
I м См
g K ( м Кр ) g Na ( м Na
) g ут ( м ут
)
dt
Т. Х-Х: Возбуждение элемента мембраны связано с
изменением проводимости мембраны для ионов
натрия и калия

47. Опыты с фиксацией напряжения

м в н нар
1. избавиться от емкостных токов
См d м dt
2. исключить изменение ионных
проводимостей натрия и калия при
изменении мембранного потенциала и
изучить их изменение в различные фазы
развития возбуждения

48. Схема исследования токов через мембрану с фиксацией мембранного потенциала

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Микроэлектрод
Электрод сравнения
Серебряный проводник
Генератор постоянного напряжения
Амперметр
ОУ – операционный усилитель

49. Результаты исследования мембранного тока методом фиксации напряжения

50. Изменение проводимости БМ для ионов во время развития ПД

51. Распространение нервного импульса вдоль возбудимого волокна

Возбудимость – способность клеток к
быстрому ответу на раздражение, который
проявляется через совокупность физических,
физико-химических процессов и
функциональных изменений.
Нервная, мышечная, железистая
Признак возбуждения: изменение
электрического состояния клеточной
мембраны: возбужденный участок клетки –
электроотрицателен по отношению к
невозбужденному участку

52. Потенциал действия

• Общее изменение разности потенциалов
между клеткой и средой, происходящее
при пороговом и сверхпороговом
возбуждении клеток
- Обеспечивает проведение возбуждения по
нервным волокнам
- Индуцирует процессы мышечного
сокращения
- Индуцирует секрецию железистых клеток

53. Распространение потенциала действия по аксону кальмара

54. Распространение нервного импульса вдоль нервного волокна

55. Деполяризующий потенциал

V ( x ) V0 e
rm a
2ri
x

56. Сальтаторное распространение ПД по миелинизированному волокну

57.

58. Натриевый и калиевый токи через мембрану миелинизированного аксона лягушки

59. Зависимость стационарных значений параметров Na-канала от мембранного потенциала

60. Дискретный характер проводимости ионных каналов

61.

62. Схема строения Na-канала

63. Механизм генерации потенциала действия

64. Распределение концентрации ионов внутри и снаружи кардиомиоцита позвоночных

65. Процессы, происходящие при формировании ПД