Механизм электрогенеза в клетках

АО  «Медицинский университет Астана»

 

 

 

 

 

 

 

КАФЕДРА:_______________________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

НА ТЕМУ: Механизм электрогенеза в клетках.

 

Выполнил(а):________________________

Проверил(а): ________________________

Дата сдачи:__________________________

Оценка:_____________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана 2012 год

 

План

Введение…………………………………………………………………….3

1. Механизм электрогенеза в клетках
1. Мембранный потенциал …………………………………………..…..4
2. Микроэлектродный метод внутриклеточного измерения потенциалов………………………………………………………….....5

1.3 Доннановское равновесие и потенциал Доннана……………………6

1.4 Равновесный потенциал……………………………………………….9

1.5 Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина………………..…10

1.6 Природа потенциала покоя…………………………………………..12

1.7 Природа потенциала действия……………………………………….14

Заключение………………………………………………………………..17

Список использованной литературы…………………………………….18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Генерация и распространение  электрических потенциалов — важнейшее физическое явление в живых клетках и тканях, которое лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения. Нарушение электрических характеристик отдельных клеток, нервных волокон и целых тканей, например сердечной ткани, приводит к ряду серьезных заболеваний.

Изучение механизма возникновения  клеточных биопотенциалов стало возможным прежде всего благодаря применению методов клеточной электрофизиологии, в развитии которых важную роль сыграли, во-первых, разработка техники микроэлектродных отведений, во-вторых, создание специальных усилителей биопотенциалов, обладающих высоким входным сопротивлением (до 10¹⁰ Ом), малой постоянной времени (от 10мс) и высокой чувствительностью (токи от 10^-12 А) и, наконец, в-третьих, выбор удачных объектов исследования, начиная от гигантского аксона кальмара и гигантских нейронов пресноводных моллюсков и кончая разнообразными модельными мембранами.

Использование результатов электрофизиологических опытов в сочетании с физическим и математическим моделированием транспортных процессов лежит в основе современных теорий электрогенеза в клетках. В покоящейся, нормально функционирующей живой клетке всегда имеется разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой, называемая потенциалом покоя. Возникновение потенциала покоя связано с неравенством концентрации ионов внутри клетки и в окружающей среде и неодинаковой проницаемостью клеточных мембран для разных ионов. Причины этой неравномерности распределения ионов и ее влияние на потенциал покоя могут, однако, различаться у разных клеток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Мембранный потенциал

Мембранный потенциал, разность электрических потенциалов между растворами электролитов a и b, разделенных проницаемой мембраной m: D^a_bj = j^a - j^b. В частном случае, когда мембрана проницаема только для определенногоиона В^zв (z_B - зарядовое число), общего для растворов электролитов a и b, мембранный потенциал (иногда его называют потенциалом Нернста) рассчитывают по формуле:

где F-число Фарадея, R-газовая постоянная, Т-абсолютная температура, a_B^b, a_B^a - активности ионов. В растворах b и a, D^a_bj_B-стандартный потенциал распределения иона В, равный

где m^0,b_B, m^0,a_B-стандартные хим. потенциалы иона Вв растворах b и a соответственно. В такой системе мембранный потенциал не зависит от толщины мембраны и ее структуры, механизма переноса иона и его подвижности.

В общем случае для мембран, проницаемых для одних сортов ионов и не проницаемых для  других, при расчете мембранный потенциал  требуется введение определенных приближений  в зависимости от толщины мембраны, ее состава и строения, а также  от механизма переноса. В случае мембран макроскопического размера  полный мембранный потенциал слагается  из трех компонентов: двух граничных  потенциалов, локализованных в двойных  электрических слоях на границе  мембрана-раствор электролитов, и  внутримембранного, локализованного  в электронейтральном объеме мембраны. Кроме того, при пропускании электрического тока через мембрану внутри нее возникает  падение напряжения. Обычно считается, что переход ионов через межфазную  границу происходит быстро, так что  их распределение равновесно; затруднен  только перенос ионов через объем  мембраны. Для системы, в которой  в фазе a имеется бинарный электролит В⁺ А^-, присутствующий и в мембране, а мембрана содержит ион R с зарядовым числом z_R, не проникающий через межфазные границы, граничный потенциал определяется формулой Доннана и называется доннановским.

 

 

1. Микроэлектродный метод внутриклеточного измерения потенциалов

 

 

Прогресс в исследовании биопотенциалов был обусловлен: 
1)    разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов; 
2)    созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ); 
3)    выбором удачных объектов исследования – гигантских клеток и среди них гигантского аксона кальмара.Диаметр аксона кальмара достигает 0.5 мм, что в 100 — 1000 раз больше, чем диаметр аксонов позвоночных животных, в том числе человека. 
Гигантские, в сравнении с позвоночными, размеры аксона – этого проворного и ловкого головоногого моллюска имеют большое физиологическое значение – обеспечивают быструю передачу нервного импульса по нервному волокну. 
 
 Для биофизики гигантский аксон кальмара послужил великолепным модельным объектом для изучения биопотенциалов (недаром выдвигались предложения поставить памятник кальмару – животному, которому так многим обязана наука, подобно существующим памятникам лягушке в Париже и собаке под Ленинградом). 
В гигантский аксон кальмара можно ввести микроэлектрод, не нанося аксону значительных повреждений. 
Стеклянный микроэлектрод представляет собой стеклянную микропипетку с оттянутым очень тонким кончиком (рис. 1.1-а).

Металлический микроэлектрод пластичен и не может проколоть клеточную мембрану, кроме того он поляризуется. Для  исключения поляризации электрода  используются неполяризующиеся электроды. Например, серебряная проволока, покрытая солью AgCl. Электрод погружен в раствор KCI или NaCl (желатинизированный агар-агаром), заполняющий микроэлектрод(рис.1.1-б). 
Второй электрод – электрод сравнения располагается в растворе у наружной поверхности клетки(рис. 1.1-в). Регистрирующее устройство Р, таким образом, фиксирует мембранный потенциал: 

 
 
  Микроэлектродный метод дал возможность измерить биопотенциалы не только на гигантском аксоне кальмара, но и на клетках нормальных размеров: нервных волокнах других животных, клетках скелетных мышц, клетках миокарда и других. 
Микроэлектроды из-за своей крайне малой площади поперечного сечения обладают сопротивлениями порядка 107 Ом. Это приводит к необходимости использовать регистрирующие устройства с очень большим входным сопротивлением.

 

Рис. 1.1 Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов:

а – стеклянная микропипетка; б – стеклянный микроэлектрод; в – схема регистрации мембранного  потенциала

1.3 Доннановское равновесие и потенциал Доннана

Чаще всего для объяснения свойств  ионитов применяют представления  о доннановском равновесии. Сущность его состоит в том, что если два раствора разделены мембраной, которая непроницаема по крайней мере для одного вида ионов, находящихся в одном из растворов, то другие ионы, для которых мембрана проницаема, распределяются по обе стороны этой мембраны неравномерно. Рассматривают равновесие, устанавливающееся в системе растворов, разделенных мембраной. Мембрана может быть активной или неактивной. Пример активной мембраны - ионит. Такая мембрана, погруженная в раствор электролита, рассматривается как второй, более концентрированный раствор. Обмен ионов между раствором и зерном ионита-мембраной происходит, пока не установится мембранное равновесие. 

Граничный потенциал определяется формулой Доннана и называется доннановским:

Здесь c^m_R - концентрация ионов R в мембране, g_i- и Р_i-коэффициент активности и распределения ионов соответственно, определяемые соотношением

Средняя активность электролита   средний коэф. активности  , коэффициент распределения электролита 

Потенциал Доннана и, следовательно, сорбция электролита, обратно пропорциональны степени набухания и прямо пропорциональны плотности поперечных связей. Поскольку равновесие Доннана определяется свойствами электрического поля, которые зависят от полного заряда как фиксированных, так и подвижных групп, то именно эти параметры влияют на величину потенциала Доннана. Падение эффективности уменьшения содержания электролита в мембране с увеличением концентрации раствора обусловлено увеличением способности ионов устранять концентрационные различия за счет диффузии s постоянном электрическом поле. Электрическое поле является постоянным, так как концентрация фиксированных зарядов в мембране постоянна. Равновесие между такими противоположными процессами смещения приводит к уменьшению потенциала Доннана и увеличению содержания электролита в мембране. Противокатионы с высокой плотностью заряда [ маленький размер и ( или) высокая валентность ] и коионы с низкой плотностью заряда уменьшают до минимума изменение содержания электролита. Это влияние обусловлено максимальным притяжением противоионов и минимальным отталкиванием коионов фиксированными ионными группами. Кроме этих эффектов взаимодействия с мембраной и отталкивания от нее, противоионы с высокой и коионы с низкой плотностью заряда подавляют образование пар коионов между подвижными ионами. В результате этого внешние силы, например электрическое поле, наведенное фиксированными зарядами мембран, оказывают более сильное влияние, чем в случае воздействия сильных ассоциатов между составляющими электролита. С другой стороны, когда пары и комплексы ионов образуются про-тивоионами и коионами, соединение может вести себя как агрегат с эффективной плотностью заряда, соответствующей относительным количествам положительных и отрицательных зарядов.

Таким образом, доннановский потенциал (2) состоит из так называемого  потенциала распределения и члена, зависящего от концентрации непроникающего иона R; при малом значении c^m_R он сводится к потенциалу распределения, а при большом - находится из выражения:

При этом концентрация противоионовА^- в мембране перестает зависеть от коэффициента распределения и межфазного потенциала и приближается к предельному значению c^m_A  z_Rc^m_R, a одноименно заряженные ионы почти полностью вытесняются из мембраны.

Граничный потенциал может  возникнуть в результате реакций  комплексообразования или электронообменной  реакции между окислительно-восстановительными парами, содержащимися в растворе и в мембране. Если межфазная граница  вообще не проницаема для заряженных частиц, граничный потенциал имеет  электростатическую природу и возникает  в результате адсорбции зарядов  и диполей, а также вследствие заряжения границы от внеш. источника.

Внутримембранный потенциал  имеет кинетическую природу и  определяется переносом ионов через  толщу мембраны. В простейшем случае при диффузионно-миграционном переносе бинарного электролита возникает  т. наз. диффузионный потенциал (приближение  Планка):

где u_А, u_B-подвижности ионов в мембране, c^m_BA(0), c^m_BA(d)-концентрации электролита в мембране у левой и правой межфазных границ соответственно. В случае биол. и бислойных липидных мембран, толщина которых настолько мала, что в них вообще не реализуется область электронейтральности, для нахождения внутримембранного потенциала используют предположение о постоянстве напряженности электрического поля (приближение Гольдмана):

Таким образом, мембранный потенциал  в доннановском случае находят из выражения, слагаемые которого определены формулами (2) и (3) или (2) и (4):

Определение мембранного  потенциала представляет интерес для  ионометрии, для биологии и медицины в связи с распространенностью  мембранных процессов в живых  организмах и т.д.

 

 

 

1.4 Равновесный потенциал

 

В 1902 г. Бернштейн выдвинул гипотезу, согласно которой потенциал покоя обусловлен тем, что цитоплазматическая мембрана проницаема для ионов К⁺ и на ней создается потенциал, описываемый уравнением Нернста.

Равновесный потенциал для иона — это такая  величина мембранного потенциала, который  установился бы по обе стороны  клеточной мембраны, если бы она  стала избирательно проницаема только для данного иона. 
При таких условиях соотношение ионных потоков через мембрану находилось бы в равновесии (равные скорости входа и выхода иона).

Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительныйпотенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическоеуравнение, истандартнымиэлектроднымипотенциалами окислительно-восстановительных пар.

,

 

 

где

• — электродный потенциал, E⁰ — стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;
• — универсальнаягазоваяпостоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);
• — абсолютная температура;
• — числоФарадея, равное 96485,35 Кл/моль;
• — число моль электронов, участвующих в процессе;
• и   — активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Потенциал покоя мембраны в нервных  клетках составляет от -80 до -90 мВ и  близок к равновесному потенциалу К+. Поскольку мембранный потенциал  этих клеток почти равен равновесному потенциалу К+, их плазматическая мембрана должна в покое быть в большей  степени проницаема для К+.

Разность  концентраций ионов калия вне  и внутри клетки и высокая проницаемость клеточной мембраны для ионов калия обеспечивают диффузионный ток этих ионов из клетки наружу и накопление избытка положительных ионов К+ на наружной стороне клеточной мембраны, что противодействует дальнейшему выходу ионов К+ из клетки. Диффузионный ток ионов калия существует до тех пор, пока стремление их двигаться по концентрационному градиенту не уравновесится разностью потенциалов на мембране. Эта разность потенциалов называется калиевым равновесным потенциалом. 

 

Равновесный потенциал (для соответствующего иона, Ек) — разность потенциалов между  внутренней средой клетки и внеклеточной жидкостью, при которой вход и выход иона уравновешен (химическая разность потенциалов равна электрической). 

 

Важно подчеркнуть  следующие два момента: 1) состояние  равновесия наступает в результате диффузии лишь очень небольшого количества ионов (по сравнению с их общим содержанием); калиевый равновесный потенциал всегда больше (по абсолютному значению) реального потенциала покоя, поскольку мембрана в покое не является идеальным изолятором, в частности имеется небольшая утечка ионов Na+. Сопоставление теоретических расчетов с использованием уравнений постоянного поля Д. Голдмана, формулы Нернста показали хорошее совпадение с экспериментальными данными при изменении вне- и внутриклеточной концентрации К+