Слайд 1Лекция № 9
БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ
Слайд 2План лекции
Краткая характеристика биопотенциалов.
Виды потенциалы.
Доннановское равновесие, его значение.
Уравнение Нернста
для мембранного потенциала.
Особенности ионной проницаемости клеточной мембраны.
Уравнение Гольдмана.
Уравнение Томаса.
Физическая характеристика ионных каналов.
Потенциал покоя и потенциал действия.
Физический механизм деполяризации и реполяризации мембраны.
Уравнение Нернста и Ходжкина-Хаксли для потенциала действия.
Слайд 3Генерация и распространение биоэлектрических потенциалов- важнейшее физическое явление в живых
клетках и тканях, которое лежит в основе возбудимости клеток, регуляции
внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения.
Слайд 4Для возникновения биопотенциалов решающее значение имеют потенциалы, обусловленные несимметричным, неравномерным
распределением ионов.
Слайд 6Диффузионный потенциал
возникает на границе раздела двух жидких сред в
результате различной подвижности ионов.
0
1
1
С
>
1
2
С
HCl
HCl
+
-
Слайд 7 Диффузионный потенциал находится из уравнения
Гендерсона
Где
U – подвижность катионов
V – подвижность анионов
R – универсальная газовая
постоянная
Т – абсолютная температура
n – валентность
F – число Фарадея
а1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия
а2 – активность ионов в области, куда идет диффузия
Слайд 8Мембранный потенциал
возникает на границе раздела полупроницаемой мембраны, имеющей фиксированный
отрицательный заряд – катионобменная мембрана.
0
1
1
С
>
1
2
С
HCl
HCl
Слайд 9Мембранный потенциал находится из уравнения Нернста
Где
R – универсальная газовая постоянная
Т
– абсолютная температура
n – валентность
F – число Фарадея
а1 – активность
ионов в области, откуда идет диффузия
а2 – активность ионов в области, куда идет диффузия
Слайд 10Фазовые потенциалы
возникают на границе раздела двух несмешивающихся фаз.
нитробензол
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Слайд 11Электродный потенциал возникает в результате диффузии ионов из электрода в
раствор электролита.
AgCl
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Слайд 12Уравнение
электродного потенциала
Где
R – универсальная газовая постоянная
Т – абсолютная температура
n
– валентность
F – число Фарадея
К – константа, которая определяется природой
вещества и концентрацией раствора
Сх – концентрация ионов в электроде
Ср-ра - концентрация ионов в растворе электролита
Слайд 13 Доннановское равновесие устанавливается
между клетками и окружающей средой, если клеточная мембрана хорошо проницаема
для неорганических ионов, но непроницаема для белков, нуклеиновых кислот и других крупных органических молекул.
Доннановское равновесие наиболее характерно для мертвых клеток или для клеток с ослабленным метаболизмом.
Слайд 14 В основе вывода уравнения лежит условие электронейтральности, т.е.
равенства суммарной концентрации анионов Cl- и катионов К+ как внутри
клетки:
так и снаружи:
тогда
В клетках распределение хлора обеспечивается равновесием Доннана.
Вывод уравнения Доннана
Слайд 15В 1902 году Бернштейном была выдвинута мембранная теория биопотенциалов.
В
50-60-х годах была
развита и экспериментально доказана А. Ходжкиным и
А. Ф. Хаксли.
Слайд 16Сущность мембранной теории биопотенциалов
Потенциал покоя и потенциал действия является по своей природе мембранными
потенциалами, обусловленными полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и средой, которое поддерживается механизмами активного транспорта, локализованные в самой мембране.
Слайд 17Регистрация биопотенциалов при помощи микроэлектродного метода
Стеклянный микроэлектрод
Схема регистрации мембранного потенциала
Слайд 18Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями
мембраны.
Слайд 19Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемых между внутренней
и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.
Слайд 22Уравнение Нернста для потенциала покоя
Слайд 23Уравнение Гольдмана
для потенциала покоя
Слайд 24Отношение коэффициентов проницаемости для состояния покоя
PК : РNa : PCl
= 1 : 0,04 : 0,45
Слайд 25С учетом работы электрогенных ионных насосов для мембранного потенциала было
получено уравнение Томаса (1972 г.)
Где m =3/2 -
отношение количества ионов натрия к количеству ионов калия, перекачиваемых Na+ - K+-насосом.
Слайд 26Физическая характеристика ионных каналов выражается в следующих свойствах:
Селективность
Независимость работы отдельных
каналов
Дискретный характер проводимости
Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала
Слайд 27Селективность
Селективностью называют
способность ионных каналов избира-
тельно пропускать
ионы какого-
либо одного типа.
Ионные каналы обладают
Абсолютной
селективностью по
отношению к катионам либо к
анионам, т.е. пропускает ионы
одного вида.
Слайд 28Независимость работы
отдельных каналов
Прохождение тока через
отдельный
ионный канал не зависит от того, идет ли
Ток ионов через
другие каналы.
Например, К+-каналы могут быть
включены или выключены, но ток через
Na+-каналы не меняется. Изменение
проницаемости ионных каналов меняет
мембранный потенциал.
Слайд 29Дискретный характер проводимости
Проводимость ионного
канала дискретна и он может находится в двух состояниях: открытом
и закрытом. Переходы между этими состояниями происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Сдвиг мембранного потенциала выше порогового значения увеличивает вероятность открытия каналов, т.е. идет процесс их активации.
Слайд 30
Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала
Ионные
каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например К+-каналы и
Na+-каналы. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. Ион-селективный канал имеет сенсор, чувствительный к действию электрического поля.
Слайд 31Зависимость параметров каналов от мембранного потенциала
При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы,
в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания и закрывания ворот.
При деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода
натриевого канала в проводящее состояние и открытие большего числа каналов.
Слайд 32Схема
строения натриевого ионного канала мембраны в разрезе
натриевый канал
Грамицидин
Грамицидин
Слайд 33Потенциалом действия называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны
и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.
Слайд 34Возбудимость – это способность клеток к быстрому ответу на раздражение,
проявляющемуся через совокупность физических, физико-химических процессов и функциональных изменений. Обязательным
признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны.
Слайд 36Физический механизм деполяризации
Увеличение
проницаемости
для Na+
Вход
Na+ в
клетку
Деполяризация
мембраны
Слайд 37Отношение коэффициентов проницаемости ионов для фазы деполяризации
PК : РNa :
PCl = 1 : 20 : 0,45
Слайд 39Физический механизм реполяризации
Выход
К+ в
среду
Уменьшение
потока Na+
в клетку
Реполяризация
мембраны
Слайд 40Формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток
ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположно
направленный поток ионов калия обуславливает восстановление исходного потенциала покоя.
Слайд 41МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ
Е1 – потенциал покоя
Е2 – мембранный потенциал
при возбуждении
Е3 – потенциал действия
Слайд 42Уравнение Нернста для потенциала действия
Слайд 43Уравнение Ходжкина-Хаксли, описывающее
мембранный потенциал,
который складывается из потенциала покоя
и
потенциала действия
