Параметри електричного струму, що визначають 2 страница

Потенціал спокою (ПС)–це мембранний потенціал збудливих клітин, які перебувають у стані спокою. Іншими словами, ПС – це окремий випадок мембранного потенціалу.

Методи реєстрації ПС

Реєстрацію ПС здійснюють за допомогою електродів. Залежно від їх розміщення розрізняють два методи реєстрації ПС.

І Внутрішньоклітинне відведення ПС. Здійснюють за допомогою скляного електрода, діаметр кінчика якого менше 1 мкм. Таким мікроелектродом проколюють клітинну мембрану і вводять його у цитоплазму. У момент проколу мембрани за допомогою пристрою (вольтметра) реєструють різницю потенціалів (рис.3.1).

А Б

В

Рисунок 3.1 – Внутрішньоклітинна реєстрація мембранного потенціалу:

А – до, Б – після введення мікроелектрода у клітину;

В – запис ПС на осцилографі

ІІ Позаклітинне відведення ПС. У цьому методі обидва електроди розміщені поза клітиною. Названий метод дозволяє реєструвати потенціал пошкодження – різницю потенціалів між інтактною та пошкодженою ділянками тканини. Пошкоджена ділянка є деполяризованою щодо інтактної (рис.3.2).

А Б

Рисунок 3.2 – Позаклітинна реєстрація мембранного

потенціалу : А – інтактне нервове волокно; Б – нервове волокно з ушкодженою ділянкою (заштрихована)

Основні фізичні характеристики ПС

1 Полярність.На внутрішній поверхні мембрани потенціал спокою є електронегативним щодо “нуля” Землі. Іншими словами, зовнішня поверхня мембрани заряджена позитивно, а внутрішня – негативно.

2 Сталість величини. Величина ПС для певної структури (нервове волокно, м’язова клітина, нейрон) є сталою.

3 Абсолютне значення.ПС має такі значення:нервові волокна – -90 мВ, скелетні м’язові волокна – -90 мВ, гладенькі м’язи – -50-60 мВ, нейрони центральної нервової системи – -40-60 мВ.

Під впливом деяких факторів абсолютне значення ПС може змінюватися. Розрізняють два види змін величини ПС – деполяризацію і гіперполяризацію (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Зміни абсолютного значення ПС : А – потенціал спокою;

Б – деполяризація; В – гіперполяризація

Деполяризація мембрани–це зменшення, а гіперполяризація – збільшення абсолютного значення ПС.

Іонні механізми походження потенціалу спокою

Вперше гіпотезу про іонні механізми походження мембранного потенціалу запропонував у 1896 р. представник української школи фізіологів В.Ю. Чаговець, що очолював кафедру в Київському університеті ім. Св. Володимира.

Сьогодні остаточно доведено, що виникнення мембранного потенціалу пов’язане з дифузією іонів. Для того, щоб зрозуміти суть явища, уявимо собі клітину, у якій цитоплазма заміщена розчином електроліту, який складається з дрібних часток катіонів (наприклад, іонів калію) і крупніших часток аніонів (наприклад, білка). Маленькі частки катіонів можуть легко дифундувати через пори мембрани, в той час як мембрана клітини непроникна для аніонів. Помістимо клітину, заповнену таким електролітом, у середовище, в якому його немає або його концентрація значно менша, ніж у клітині.

Рисунок 3.4 – Дослід, який пояснює іонні механізми виникнення ПС

У цьому випадку частки катіонів (іонів К⁺) за законами дифузії будуть виходити з клітини в середовище за градієнтом концентрації, а аніони будуть залишатися у клітині, оскільки мембрана до них непроникна. Перехід катіонів з клітини в позаклітинне середовище призводить до того, що на внутрішній поверхні мембрани створюється надлишок іонів К⁺ (з’являється знак “+”), а на зовнішній поверхні рівно на стільки ж збільшується кількість аніонів (з’являється знак “–“). Іншими словами, між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани виникає різниця потенціалів, тобто мембранний потенціал.

Виникнення між позаклітинним середовищем і цитоплазмою клітини різниці потенціалів – потенціалу спокою

Рисунок 3.5 – Схема, що пояснює іонні механізми виникнення ПС

Як довго буде продовжуватися дифузія катіонів з клітини у позаклітинне середовище?

Річ у тому, що позитивний заряд, який створюється на зовнішній поверхні мембрани, буде перешкоджати подальшій дифузії іонів К⁺ за градієнтом концентрації. Калій почне переходити у клітину за електричним градієнтом

(мембрана зсередини заряджена негативно, а калій заряджений позитивно). Врешті-решт, при певному мембранному потенціалі настає стан рівноваги. Це означає, що кількість іонів К⁺, яка виходить з клітини за градієнтом концентрації, дорівнює кількості іонів К⁺, яка входить у клітину за електричним градієнтом. Величина мембранного потенціалу, при якій настає такий стан рівноваги, отримала назву рівновагового потенціалу для даного іона.

Таким чином, потенціал рівноваги – це рівень електричного потенціалу мембрани, при якому дифузія іона за градієнтом концентрації урівноважується протилежно спрямованою дифузією даного іону за електричним градієнтом. Або, іншими словами, це рівень електричного потенціалу на мембрані, який повністю припиняє дифузійний потік іона за градієнтом концентрації.

Величина рівновагового потенціалу розраховується за формулою Нернста, яка після низки перетворень набуває такого вигляду:

, де Е – рівноваговий потенціал

(потенціал Нернста);

і, о – концентрації іонів

калію відповідно всередині і

зовні клітини.

Підставивши у формулу Нернста значення концентрації іонів К⁺ всередині клітини (140 мекв/л) і в позаклітинному середовищі (4 мекв/л), отримаємо значення калієвого рівновагового потенціалу, яке дорівнює – 94 мВ.

Якщо у клітині не один, а декілька типів іонів (наприклад, калію, натрію, хлору), які проникають через мембрану, то величина мембранного потенціалу розраховується за формулою Гольдмана-Ходжкіна-Катца :

,

де Р – проникність мембрани для даного іона.

Потенціал спокою нервових і скелетних волокон

Внутрішньоклітинне відведення мембранного потенціалу великих нервових і скелетних м’язових волокон свідчить про те, що потенціал спокою у цих структурах дорівнює –90 мВ. Таке значення потенціалу спокою пояснюється існуванням основних і додаткових чинників, які впливають на мембранний потенціал у цих структурах.

Основні чинники:

1 Різниця концентрацій іонів К⁺ у цитоплазмі і в позаклітинній рідині. Так, у цитоплазмі нервового волокна вміст іонів К⁺ у 35 разів вищий, ніж у позаклітинному середовищі.

2 Висока проникність мембрани до іонів К⁺, низька проникність до іонів Na⁺ і непроникність до внутрішньоклітинних білків - аніонів.

Саме іони К⁺ та особливості проникності клітинної мембрани визначають значення потенціалу спокою. Про це свідчить той факт, що потенціал спокою нервових і скелетних м’язових волокон (-90 мВ) дуже близький за значенням до калієвого рівновагового потенціалу (-94 мВ).

Додаткові чинники:

1 Пасивний вхід іонів Na⁺ у клітину. Хоча у стані спокою проникність мембрани для іонів Na⁺ в багато разів менша, ніж для іонів К⁺ (приблизно у 100 разів), постійно існує дифузія іонів Na⁺ в клітину. Вона обумовлена, з одного боку, дуже великим електрохімічним градієнтом для іонів Na⁺, спрямованим у клітину (концентрація іонів Na⁺ поза клітиною в 10 разів вища, ніж всередині, крім того, іони Na⁺ намагаються увійти у клітину, всередині якої знак “– “), а з іншого боку, – наявністю у мембрані клітин білків, здатних пропускати через себе іони Na⁺, коли клітина перебуває у стані спокою. Такі білки отримали назву “калій-натрієві канали витікання”. Вони є неселективними іонними каналами, через які дифундують іони через мембрану,що перебуває у стані спокою. Ці білки значно легше пропускають через себе іони К⁺, ніж Na⁺ (приблизно у 100 разів).

Постійний пасивний вхід Na⁺ у клітину зменшує її мембранний потенціал, тому його величина насправді менша від калієвого рівновагового потенціалу.

Розрахунки за формулою Гольдмана-Ходжкіна-Катца показують, що при існуючому пасивному вході Na⁺ у клітину потенціал спокою повинен був би дорівнювати

–86 мВ. А насправді він дорівнює –90 мВ. Чому? Це пояснює наступний додатковий чинник, що впливає на ПС.

2 Робота Na⁺, K⁺-насосу.

Na⁺, K⁺-насос – це білки клітинної мембрани, які здійснюють активний транспорт іонів Na⁺ та K⁺ проти градієнтів їх концентрацій. Робота цього насоса має два наслідки:

· підтримується градієнт концентрації іонів Na⁺ і K⁺

обидва боки мембрани, незважаючи на пасивний вхід

Na⁺ і вихід K⁺ з клітини;

· здійснюється безпосередній вплив на величину ПС завдяки електрогенності насоса. За один цикл роботи насоса відбувається нееквівалентний обмін іонів Na⁺ і К⁺ (із клітини видаляється 3 іони Na⁺, а надходить тільки 2 іони K⁺), що призводить до незначної гіперполяризації мембрани, внаслідок чого потенціал спокою нервових і скелетних м’язових волокон дорівнює –90 мВ, а не –86 мВ, як слід було б очікувати з проведених розрахунків за формулою Гольдмана-Ходжкіна-Катца.

Фізіологічне значення потенціалу спокою

Наявність ПС на мембрані клітин визначає таку їх рису, як збудливість, тобто здатність збуджуватись у відповідь на дію подразника.

З точки зору електрофізіології це означає, що наявність ПС є необхідною умовою для виникнення потенціалу дії (ПД).

Зміни ПС в умовах патології

В умовах патології зміни ПС збудливих клітин найбільш часто обумовлені такими порушеннями:

1 Зміни позаклітинної концентрації іонів К⁺.

Можливі два варіанти порушень:

· гіперкаліємія. При цьому іони К⁺ входять у клітину і розвивається деполяризація мембрани;

· гіпокаліємія. У цьому випадку, навпаки, іони К⁺ виходять з клітини, що призводить до гіперполяризації мембрани.

2 Зміни внутрішньоклітинної концентрації іонів К⁺ при:

· посиленому розпаді білків (збільшення швидкості катаболізму). У даному випадку в результаті зменшення концентрації внутрішньоклітинних білків зменшується внутрішньоклітинна концентрація іонів К⁺, що призводить до деполяризації мембрани;

· посиленому синтезі білків (збільшенні швидкості анаболізму). При цьому, навпаки, збільшення вмісту білків всередині клітини супроводжується збільшенням внутрішньоклітинної концентрації іонів К⁺. Останнє призводить до гіперполяризації мембрани.

3 Збільшення проникності клітинної мембрани до іонів Na⁺.

Подібна ситуації виникає при:

· пошкодженні клітинної мембрани (порушення її бар’єрної функції);

· появі (адсорбції) нових білків або інших сполук, що пропускають через себе іони Na⁺ (наприклад, адсорбція комплексів антиген + антитіло, антибіотиків – іонофорів).

4 Порушення роботи Na⁺- K⁺-насосів.

Найпоширенішою причиною таких порушень є дефіцит АТФ. При розладах функції Na⁺- K⁺-насосів відбувається зменшення ПС, обумовлене пасивним входом Na⁺ у клітину.

Незалежно від причин зміни ПС в умовах патології (деполяризація або гіперполяризація) призводить до стійкого зменшення збудливості клітин, що виявляється широким спектром порушень з боку нервової системи, серця, скелетних м’язів і органів, до складу яких входить гладенька мускулатура.

4 ПОТЕНЦІАЛ ДІЇ

Потенціал дії (ПД)–це швидка зміна мембранного потенціалу, яка виникає в збудливих структурах у відповідь на дію подразника.

Власне здатність генерувати ПД є головною рисою, яка відрізняє збудливі структури (нервові, м’язові і деякі типи секреторних клітин) від інших.

Структура ПД

При внутрішньоклітинному відведенні ПД великого нервового волокна має форму, наведену на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Потенціал дії при внутрішньоклітинному відведенні : І – фаза спокою; ІІ – фаза деполяризації; ІІІ – фаза реполяризації; ІV – фаза слідових потенціалів

Виділяють такі фази ПД:

1 Фаза спокою.

Вона представлена потенціалом спокою. Без потенціалу спокою неможливий розвиток ПД.

2 Фаза деполяризації(висхідна фаза).

Це дуже швидка (0,1 мс) зміна мембранного потенціалу від –90 мВ до + 35 мВ. У великих нервових волокнах позитивні значення ПД отримали назву овершута. У малих нервових волокнах і нейронах овершутанемає.

3 Фаза реполяризації(низхідна фаза).

Це фаза відновлення негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани. Її тривалість значно перевищує тривалість фази деполяризації.

4 Фаза слідових потенціалів.

Після завершення ПД мембранний потенціал ще деякий час відхиляється від рівня ПС. Розрізняють слідову деполяризацію та слідову гіперполяризацію. Амплітуда слідових потенціалів ніколи не перевищує 15-20% ПД.

Основні фізичні характеристики ПД

1 Полярність ПД.

На внутрішній поверхні мембрани ПД є електропозитивним, а на зовнішній – електронегативним стосовно “нуля” Землі. Іншими словами, під час розвитку ПД відбувається реверсія потенціалу - зміна полярності заряду на внутрішній і зовнішній поверхнях мембрани (рис 4.2).

Ділянка з ПД

+ + + + + + + + + + + - - - - - - - + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - + + + + + + + + + + +

Рисунок 4.2 – Реверсія мембранного потенціалу під час ПД

2 Значення мембранного потенціалу на вершині ПД

(величина овершута).

У великих нервових і скелетних м’язових волокнах ця величина становить від +30 до +40 мВ.

3 Амплітуда ПД.

Це відстань від рівня потенціалу спокою до найвищої точки овершута. У великих нервових і скелетних м’язових волокнах цей показник дорівнює 110 - 130 мВ.

4 Тривалість ПД.

Ця характеристика ПД суттєво відрізняється у різних типах збудливих структур. Так, у великих нервових і скелетних м’язових волокнах цей показник дорівнює

0,5 – 5 мс, у той час як у волокнах серцевого м’яза він досягає 300 мс.

5 Довжина хвилі ПД.

ПД здатний поширюватися по нервових і м’язових волокнах, при цьому у різних структурах довжина його хвилі становить від 0,1 до 5 см.

6 Швидкість поширення ПД.

Залежно від типу волокон цей показник становить

0,5 - 120 м/с.

Основні фізіологічні характеристики ПД

1 Підкоряється закону “все або нічого”.Це означає що:

· ПД виникає при дії подразника, сила якого не менша за певну порогову величину;

· Фізичні характеристики ПД (амплітуда, тривалість, форма) не залежать від сили подразника.

2 Здатність до самопоширення вздовж мембрани клітини без затухання (бездекрементно), тобто без зміни своїх фізичних характеристик.

3 ПД супроводжується рефрактерністю.

4 ПД не здатний до сумації, тобто до накладання.

Іонні механізми розвитку ПД

Виникнення ПД пов’язане з існуванням у плазматичній мембрані клітин двох видів білків – каналів. Зупинимося коротко на їх характеристиці.

І Потенціалозалежні натрієві білки-канали.

Ці канали мають дві властивості: селективність і електрозбудливість.

Селективність–це здатність каналу пропускати через себе тільки іони Na⁺, тому такі канали називаються натрієвими.

Електрозбудливість–це здатність каналу відкриватися і закриватися у відповідь на зміни мембранного потенціалу (звідки назва – потенціалозалежні).

Na⁺ канал складається з двох частин:

1 Власне транспортної системи – білка, який пропускає через себе іони Na⁺.

2 Воріт – частини каналу, яка визначає відкритий і закритий його стани.

Потенціалозалежний натрієвий канал має двоє воріт:

· активаційні (швидкі). Вони знаходяться на зовнішній поверхні білка-каналу, мають здатність швидко відкриватися і закриватися;

· інактиваційні(повільні). Вони знаходяться на внутрішній поверхні білка-каналу і характеризуються тим, що повільно відкриваються і закриваються.

Розрізняють три функціональні стани потенціалозалежних натрієвих каналів (рис. 4.3).

· Стан спокою. Активаційні ворота закриті, інактиваційні – відкриті. Канал непроникливий для іонів Na+. У такому стані канал перебуває тоді, коли мембранний потенціал дорівнює –90 мВ (рівень потенціалу спокою).

• Активований стан. Обоє воріт (активаційні та інактиваційні) відкриті, внаслідок чого канал проникливий для іонів Na+. Ці іони проходять ззовні у клітину по градієнту концентрації за механізмом простої дифузії. Причиною відкриття активаційних воріт є зміни мембранного потенціалу від –90 мВ до +35 мВ (деполяризація).
• Інактивований стан. Активаційні ворота відкриті, інактиваційні – закриті. Канал непроникний для іонів Na+. Такий стан настає внаслідок змін мембранного потенціалу від –90 мВ до +35 мВ. Конформаційні зміни білка-каналу, що виникають при деполяризації, призводять не тільки до швидкого відкриття активаційних воріт, але й до закриття інактиваційних. Однак останнє відбувається значно повільніше.

Рисунок 4.3 – Потенціалозалежні натрієві канали

ІІ Потенціалозалежні калієві канали.

Вони мають такі самі властивості, як і натрієві канали, – селективність та електрозбудливість.

К ⁺- канал складається з двох частин:

1) власне транспортної системи – білка, який пропускає через себе іони К⁺;

2) воріт. На відміну від натрієвих каналів, у калієвому каналі одні ворота, які розміщені з внутрішнього боку мембрани.

Розрізняють два функціональних стани калієвих каналів (рис.4.4) :

• стан спокою. Ворота закриті. Канал непроникний для іонів К+. У такому стані канал перебуває тоді, коли мембранний потенціал дорівнює –90 мВ.
• активований стан. Ворота відкриті. Канал проникний для іонів К⁺. Такий стан настає при зміні мембранного потенціалу від –90 до +35 мВ внаслідок конфірмаційних змін білка-каналу. Оскільки ці зміни відбуваються повільно, то й ворота відкриваються повільно.

Рисунок 4.4 – Потенціалозалежні калієві канали

Таким чином, можна виділити дві основні відмінності калієвих каналів :

- калієві канали не інактивуються, оскільки не мають інактиваційних воріт;

- відкриття і закриття калієвих каналів відбувається повільно.

З урахуванням структури і функціональних особливостей іонних каналів розглянемо походження основних фаз ПД : деполяризації і реполяризації.

Фаза деполяризації

Основний механізм її виникнення – раптове у 500 - 5000 разів збільшення проникності клітинної мембрани для іонів Na⁺, внаслідок чого названі іони входять у клітину за електрохімічним градієнтом (вхідний натрієвий струм), викликаючи швидку деполяризацію. Молекулярну основу такого різкого збільшення проникності мембрани становить перехід потенціалозалежних натрієвих каналів в активований стан. Причиною цього є відкриття активаційних (швидких) воріт каналу, обумовлене деполяризацією мембрани до критичного рівня, який дорівнює -70 -50 мВ. Подібна деполяризація мембрани до критичного рівня відбувається внаслідок дії на клітину подразників, здатних викликати збудження. Схематично механізм розвитку фази деполяризації ПД зображено на рис. 4.5.

Вхід іонів натрію в клітину

Активація натрієвих каналів

Рисунок 4.5 – Механізм розвитку фази деполяризації ПД

В основі швидкої деполяризації лежить принцип позитивного зворотного зв’язку, який має важливе значення в ініціюванні фізіологічних процесів. Так, деполяризація мембрани викликає активацію натрієвих каналів, внаслідок чого збільшується вхід іонів Na⁺ в клітину. Це, у свою чергу, збільшує деполяризацію мембрани, внаслідок чого збільшується кількість активованих натрієвих каналів і т.д.

До якого значення потенціалу буде відбуватися деполяризація? Теоретично можливим є значення, яке дорівнює значенню натрієвого рівновагового потенціалу. Розрахунки за формулою Нернста свідчать, що це +70 мВ. Насправді ж деполяризація досягає тільки рівня +35 мВ. Чому? Це пояснюється подіями, які обумовлюють розвиток наступної фази ПД.

Фаза реполяризації

В її розвитку мають значення дві події:

1 Інактивація потенціалозалежних натрієвих каналів.

Через 0,1 мс від початку розвитку ПД починають закриватися інактиваційні (повільні) ворота натрієвих каналів, внаслідок чого проникність мембрани до Na⁺ різко зменшується. Причиною закриття інактиваційних воріт (як і відкриття активаційних) є деполяризація мембрани. Але на відмінну від швидких активаційних воріт інактиваційні закриваються повільно, тому їх повне закриття настає тільки через 0,1 мс.

Інактивація натрієвих каналів пояснює той факт, що деполяризація мембрани під час ПД не доходить до рівня рівновагового натрієвого потенціалу.

2 Активація потенціалозалежних калієвих каналів.

Одночасно з початком інактивації натрієвих каналів, тобто через 0,1 мс, починають відкриватися ворота потенціалозалежних калієвих каналів, внаслідок чого збільшується проникність мембрани до іонів К⁺. Причиною відкриття воріт калієвих каналів є конфірмаційні зміни білка-каналу, обумовлені деполяризацією. Оскільки ці зміни виникають повільно, то відкриття калієвих каналів затримується на 0,1 мс.

Внаслідок відкриття калієвих каналів іони К⁺ виходять із клітини за електрохімічним градієнтом (вихідний калієвий струм) – у результаті відбувається поступове відновлення мембранного потенціалу, тобто реполяризація.

Як тільки мембранний потенціал досягає рівня потенціалу спокою (-90 мВ), відбуваються такі зміни у каналах:

· в натрієвих каналах активаційні ворота швидко закриваються, а інактиваційні – повільно відкриваються. Канал переходить у стан спокою;

· в калієвих каналах ворота повільно закриваються і реполяризація припиняється. Однак оскільки закриття калієвих каналів повільне, то вихід К+ з клітини продовжується ще деякий час і після досягнення рівня потенціалу спокою. Цим, зокрема, пояснюється виникнення слідової гіперполяризації, коли мембранний потенціал може наближатися до значення калієвого рівновагового потенціалу (-94 мВ).

Фізіологічне значення ПД

Серії ПД (імпульси), які поширюються вздовж клітинної мембрани, являють собою “сигнали”, які забезпечують передачу інформації по нервових і м’язових волокнах.

Методи реєстрації ПД

І Внутрішньоклітинне відведення ПД.

Мікроелектрод вводять у клітину і реєструють класичну форму ПД, яка представлена на рис. 4.1.

ІІ Позаклітинне відведення ПД.

Здійснюють за допомогою електродів, розміщених поза клітиною. Існує два методи позаклітинної реєстрації ПД :

1 Біполярне відведення – реєстрація двофазного ПД. Дозволяє реєструвати ПД, який поширюється вздовж непошкодженого нервового волокна (рис. 4.6).

Рисунок 4.6–Реєстрація двофазного ПД за допомогою позаклітинних електродів. Заштриховано ділянки деполяризації волокна. Стрілкою вказано напрямок поширення ПД

2 Уніполярне відведення – реєстрація однофазного ПД. Дозволяє реєструвати ПД при порушеннях його проведення (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 – Реєстрація однофазного ПД за допомогою позаклітинних електродів. Чорним показано пошкоджену ділянку волокна, через яку ПД не проводиться. Стрілкою вказано напрямок поширення ПД

Причини і умови виникнення ПД

ПД виникає внаслідок взаємодії подразника зі збудливою клітиною. У цій взаємодії подразник є власне причиною ПД, а властивості клітини визначають умови його виникнення.

За походженням подразники, що здатні викликати ПД, можна поділити на 2 групи :

1 Фізичні подразники:

· електричний струм;

· механічні фактори (тиск, вібрація, розтягнення).

2 Хімічні подразники :

· нейромедіатори;

· хімічні сполуки, специфічні для певних видів хеморецепторів (вуглекислий газ, іони водню).