Практичне заняття 2.

Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 10441

Реєстрація потенціалу спокою і потенціалу дії нервових і м’язових волокон.

1.Актуальність теми:

Основною функцією всіх збудливих структур є збудження.

Збудження – це процес, який виникає на мембрані збудливої структури при подразненні і супроводжується зменшенням її мембранного потенціалу.

Враховуючи те, що збудливі тканини в цілісному організмі забезпечують його здатність реагувати на дію зовнішніх і внутрішніх подразників, реєстрація і аналіз параметрів електричної активності збудливих тканин має не тільки теоретичне, але й практичне значення. Реєстрація зміни мембранних потенціалів під час збудження лежить в основі таких клінічних методів дослідження, як електрокардіографія (ЕКГ), електроенцефалографія (ЕЕГ), електроміографія (ЕМГ) та інші.

2.Навчальні цілі:

Ø Трактувати поняття "збудливість", “збудження” і пояснювати роль структурних елементів мембрани збудливих клітин в походженні її біоелектричних потенціалів: роль іонних каналів і насосів в транспорті іонів через мембрани, іонні градієнти, іонна асиметрія, роль активного і пасивного транспорту в створенні асиметрії.

Ø Пояснювати іонні механізми походження мембранного потенціалу спокою (МПС), методи реєстрації, інтерпретувати його параметри і фізіологічну роль.

Ø Пояснювати іонні механізми виникнення потенціалу дії (ПД), фізіологічні основи методів реєстрації ПД нервових і м'язових волокон, інтерпретувати роль різних іонів в динаміці фаз ПД, його параметри і фізіологічну роль.

Ø Інтерпретувати зміни збудливості нервових і м'язових волокон під час розвитку ПД, механізми походження періодів рефрактерності і їх фізіологічне значення.

Ø Пояснювати електрофізіологічні основи використання методів реєстрації ПД нервових і м'язових тканин в клінічній практиці (ЕКГ, ЕЕГ,ЕМГ).

3.Завдання для самостійної роботи під час підготовки до практичного заняття

3.1.Перелік основних термінів, параметрів, характеристик, які повинен засвоїти студент при підготовці до практичного заняття

3.2. Теоретичні питання

1) МПС нервових і м'язових волокон, механізми його походження, методи реєстрації; фізичні характеристики і фізіологічна роль МПС.

2) Поняття про деполяризацію і гіперполяризацію клітинної мембрани.

3) ПД як показник збудження, що поширюється в нервових і м'язових волокнах.

4) Методи реєстрації ПД окремих волокон.

5) Фізичні характеристики і фізіологічна роль ПД.

6) Фізіологічні характеристики ПД (поширюється вздовж мембрани клітини на будь-яку відстань, не згасаючи, підпорядкований закону „все або нічого”, супроводжується рефрактерністю, не може підсумовуватись).

7) Зміни збудливості під час розвитку ПД.

3.3. Практичні роботи

1) Визначення МПС методом пошкодження.

2) Реєстрація ПД біполярним і уніполярним методами.

4. Зміст теми

МЕМБРАННІ ПОТЕНЦІАЛИ

1) Іонні канали.

Іонні канали - це інтегральні білки в мембрані клітини, через які можуть проходити іони.

Іонні канали можуть бути відчиненими чи зачиненими. Коли іонні канали відчинені, через них можуть проходити окремі іони, коли зачинені - іони не проходять.

Відчинення чи зачинення іонних каналів контролюється воротами:

-Потенціалозалежні ворота - це такі, які відчиняються чи зачиняються при зміні мембранного потенціалу.

- Хемозалежні ворота - це такі, які відчиняються чи зачиняються при взаємодії циторецепторів мембрани (поверхневих білків) з медіаторами, гормонами.

2) Дифузійні і рівноважні потенціали.

Дифузійний потенціал- це різниця потенціалів, яка виникає між зовнішньою (е) і внутрішньою (і) поверхнями мембрани завдяки дифузії іону за градієнтом концентрації, якщо мембрана пропускає цей іон.

Величина дифузійного потенціалу залежить від концентраційного градієнту і проникності мембрани для іону.

Знак дифузійного потенціалу залежить від заряду іону, який дифундує через мембрану - позитивного чи негативного.

Рівноважний потенціалє дифузійним потенціалом, який створюється завдяки дії рівних і протилежних сил на рух іону через мембрану - хімічних і електричних рушійних сил, баланс між якими припиняє подальший рух іону - електрохімічна рівновага.

Розрахунок величини рівноважних потенціалів здійснюється за рівнянням Нернста:

3) Реєстрація мембранних потенціалів:

Внутрішньоклітинна реєстрація

Скляний мікроелектрод, заповнений 3М розчином КСІ, діаметром меншим ніж 0,5 мікрометра, вводиться через мембрану клітини в цитоплазму, другий електрод розташований на поверхні мембрани. Реєструючий прилад - катодний осцилограф.

· Позаклітинна реєстрація.

Металеві електроди розташовуються на поверхні клітини і реєструються тільки зміни мембранного потенціалу між двома ділянками поверхні.

Реєстрація сумарних мембранних потенціалів цим методом застосовується в клінічній практиці: електрокардіографія (ЕКГ), електроміографія (ЕМГ), електроенцефалографія (ЕЕГ).

Схема біполярного методу позаклітинної реєстрації зміни мембранного потенціалу між двома ділянками поверхні мембрани:

Схема уніполярного методу позаклітинної реєстрації різниці потенціалів із застосуванням "методу пошкодження”:

4) Мембранний потенціал спокою (МПС).

МПС - це різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани клітини у стані спокою.

МПС у збудливих клітинах становить від – 60мВ до - 90мВ, внутрішньоклітинна поверхня мембрани має негативний заряд (-), зовнішньоклітинна поверхня- позитивний (+)

· МПС є дифузійним рівноважним потенціалом, величина якого залежить а)від градієнту концентрації іонів, що дифундують через мембрану і б)проникності мембрани для цих іонів.

· МПС є дифузійним рівноважним калієвим потенціалом, бо а)концентрація іонів калію у збудливих клітинах становить біля 4 мекв/л, а поза клітиною – 140 мекв/л, б)проникність мембрани для іонів калію більша ніж для іонів натрію. Отже основну роль у створенні МПС відіграє дифузія іонів К+ з клітини назовні за градієнтом концентрації.Для аніонів мембрана не прониклива.

· Електрогенний вклад Na+- K+ насосу в створенні МПС незначний і полягає в тому, щонасос викачує 3 іони Nа+з клітини в обмін на 2 іони К+, які заходять у клітину.

· МПС можна розрахувати за формулою Нернста.

Збільшення концентрації К+у позаклітинному просторі (е) призводить до зменшення МПС - деполяризації (МПС стає більш позитивним):

Зменшення концентрації К+в позаклітинному просторі (е) призводить до збільшення МПС - гіперполяризації (МПС стає більш негативним):

5) Потенціал дії (ПД).

ПД - це швидка високоамплітудна зміна мембранного потенціалу, що забезпечує передачу інформації в нервових і м’язових клітинах на відстань .

ПД має фази:

- деполяризації (а) -зменшення мембранного потенціалу до 0 і реверсія потенціалу (б)- відхилення в позитивний бік;

- реполяризації (в) - повернення мембранного потенціалу до величини МПС:

Схема розвитку ПД:

Іонні основи генерації ПД

1.У мембранах нервових і м’язових волокон знаходяться Na+i K+ канали, кожен канал пропускає тільки відповідні іони.

2.Канали мають потенціалозалежні ворота, які відчиняються чи зачиняються залежно від зміни мембранного потенціалу.

3.Регуляція стану воріт Na+ - каналів:

а) Na+ -канали мають

- активаційні ворота - m, розташовані на зовнішній поверхні мембрани;

- інактиваційні ворота - h, розташовані на внутрішній поверхні мембрани.

б) Щоб Na+зміг пройти через канал за градієнтом концентрації, потрібно відчинення m i h воріт каналу:

- коли ворота "m" відчинені, канал називається активованим;

- коли ворота "h" зачинені, канал називається інактивованим.

У стані спокою ворота " m" зачинені, а ворота " h" відчинені.

4.Регуляція стану воріт К+каналів:

а) К+-канали мають тільки одні ворота - n (активаційні), розташовані на поверхні мембрани; інактиваційні ворота відсутні.

б)Коли ворота "n" відчинені - канал активований, через нього може проходити К+за градієнтом концентрації.

в) МПС підтримує " m" і "n" ворота відповідних іонних каналів зачиненими, " h" ворота - відчиненими.

К+- каналів при МПС від -70мВ до -90 мВ відчинено в 10 разів більше, ніж Na+- каналів, що свідчить про наближення МПС до ЕК+- калієвого рівноважного потенціалу.

5.Механізми розвитку ПД:

а) Фаза деполяризації обумовлена відчиненням активаційних воріт всіх Na+- каналів мембрани при зменшенні мембранного потенціалу до величини порогового рівня (рівня критичної деполяризації - Ек) під впливом стимулу електричного струму і входженням іонів Na+у клітину за градієнтом концентрації. Провідність мембрани для іонів Na+перевищує провідність для іонів К+.

б) Реверсія потенціалу є часткою фази деполяризації ПД, коли мембранний потенціал стає позитивним, але він не досягає Na+рівноважного потенціалу.

Тетродотоксин блокує потенціало-залежні активаційні ворота (m) Na+ - каналів і ПД не виникає.

в) Фаза реполяризації обумовлена:

- інактивацією Na+-каналів - зачиненням h-воріт при виникненні депляризаціїї;

- активацією К+-каналів при виникненні деполяризації і виходом іонів К+з клітини більше, ніж у стані спокою.

- Комбінований ефект інактивації Na+- каналів і активації більшої кількості К+-каналів призводить до збільшення провідності мембрани до К+і реполяризації мембрани.

г) ПД підпорядковується закону "все або нічого" - його параметри залежать від властивостей мембрани.

Зміни збудливості під час розвитку ПД.

Збудливість - це фізіологічна властивість клітини , яка полягає у її здатності генерувати на мембрані ПД при дії подразника. Мірою збудливості є поріг деполяризації мембрани. Під час розвитку одиночного ПД відбуваються періоди зміни збудливості:

:

а) Абсолютний рефрактерний період. Це такий період, протягом якого другий ПД не може виникнути навіть при стимуляції великої сили, що обумовлено:

- на початку фази деполяризації ПД - відчиненням активаційних воріт всіх Na+-каналів;

- далі - інактивацією Na+- каналів. ПД не може виникнути доти, доки не відчиняться інактиваційні ворота Na+- каналів завдяки реполяризації мембрани.

Абсолютний рефрактерний період закінчується тоді, коли кількість інактивованих натрієвих каналів зменшується завдяки реполяризації мембрани: відчиняються h-ворота і більший за силою, ніж пороговий, стимул може викликати виникнення повторного ПД.

Тривалість абсолютного рефрактерного періоду майже дорівнює тривалості ПД.

б) Відносний рефрактерний період.

Період починається після закінчення абсолютного рефрактерного періоду. В цей період повторний стимул може викликати генерацію другого ПД, але сила цього стимулу повинна перевищувати порогову величину, бо деякі натрієві канали ще інактивовані, а калієва провідність перевищує ту, що характерна для МПС.

ПД, який виникає при дії електричного стимулу у відносний рефрактерний період, має меншу реверсію потенціалу і меншу швидкість виникнення деполяризації Це обумовлено меншою кількістю активованих натрієвих каналів і більшою проникністю для іонів калію.

5. Матеріали для самоконтролю

5.1. Дайте відповіді на запитання

1) Під впливом гуморальних чинників збільшилась проникність мембрани клітини для іонів натрію. Як це позначиться на величині МПС цієї клітини і чому?

2) У тканинній рідині, яка оточує клітину, збільшилась концентрація іонів калію. Як це позначиться на величині МПС цієї клітини і чому?

3) У разі погіршення кровообігу міокарда у міжклітинній рідині зростає концентрація іонів калію. Як це позначиться на генерації ПД у волокнах міокарда і чому?

4) Під впливом зовнішнього подразнення у мембрані клітини збільшилося число інактивованих натрієвих каналів. Як це позначиться на параметрах ПД, який виникає у клітині і чому ?

5) Під впливом хімічного чинника у мембрані клітини збільшилося число калієвих каналів, які можуть активізуватися у разі генерації ПД клітини. Як це позначиться на параметрах ПД у клітині і чому?

6) Дінітрофенол, діючи на клітини, блокує метаболічні процеси, які постачають енергію. Як зміниться значення МПС у клітині під час дії на неї дінітрофенолу?

5.2 Виберіть правильну відповідь.

1.Внутрішньоклітинна концентрація іонів натрію становить 14 ммоль, позаклітинна концентрація – 140 ммоль, константа у формулі Нернста дорівнює 60 мВ (2.3 RT/F). Під час розвитку ПД цієї клітини натрієвий дифузійний рівноважний потенціал становитиме:

1. - 80 мВ
2. -:60 мВ
3. 0 мВ
4. + 60 мВ
5. + 80 мВ

2.МПС клітини становив –80 мВ. Внутрішньоклітинна концентрація іонів калію зменшилась в 10 разів, константа у формулі Нернста дорівнює 60 мВ (2.3 RT/F). Нова величина МПС становитиме:

1. -90 мВ
2. -80 мВ
3. -70 мВ
4. -60 мВ
5. -50 мВ

3.Проникність мембрани клітини для іонів калію збільшилась у 10 разів, концентрації іонів натрію і калію в клітині та поза нею не змінились, константа у формулі Нернста дорівнює 60 мВ (2.3 RT/F). МПС клітини становитиме:

1. -90 мВ
2. -80 мВ
3. -70 мВ
4. -60 мВ
5. -50 мВ

4.Під час розвитку ПД нервового волокна нанесли друге подразнення електричним струмом надпорогової величини на початку фази реполяризації, На друге подразнення ПД:

1. мав звичайну амплітуду
2. меншу амплітуду
3. більшу амплітуду
4. не мав реверсії потенціалу
5. не виникав

5.Дифузійний рівноважний потенціал для К⁺ становить –90 мВ, для Na⁺ - +60 мВ, якщо провідність мембрани для К⁺ в 4 рази більше, ніж для Na⁺ , то МПС становитиме

1. -50 мВ
2. -60 мВ
3. -70 мВ
4. -80 мВ
5. -90 мВ

6. Внутрішньоклітинна концентрація іонів натрію в 10 разів більша, ніж позаклітинна концентрація. Дифузійний рівноважний потенціал для іонів кальцію буде таким самим, як і для іонів натрію, якщо позаклітинна концентрація Ca ²⁺становитиме більше внутрішньоклітинної в:

1. 2 рази
2. 10 разів
3. 20 разів
4. 100 разів
5. такою самою

7.Значне зменшення позаклітинної концентрації калію призведе до одного з процесів:

1. збільшення активного транспорту Na⁺ з клітини
2. зменшення МПС
3. збільшення провідності мембрани для Кa⁺
4. збільшення сили подразнення для відкриття активаційних воріт Na⁺ каналів мембрани клітини
5. зменшення негативного дифузійного рівноважного потенціалу К⁺

8.Під час розвитку ПД нервового волокна фаза інактивації натрієвих каналів виникає в період

A. реверсії потенціалу

B. місцевого потенціалу

C. абсолютної рефрактерності

D. відносної рефрактерності

E. МПС

9.Збільшення проникності мембрани нервового волокна для іонів К⁺ під час розвитку ПД призведе до:

1. гіперполяризації мембрани
2. збільшення амплітуди ПД
3. зменшення амплітуди ПД
4. збільшення тривалості ПД
5. збільшення тривалості фази реполяризації

10.Деякі види риб містять токсини, що блокують активаційні ворота натрієвих каналів, що може призвести після вживання такої риби людиною до виникнення одного з процесів на мембранах збудливих структур:

1. збільшення збудливості
2. зменшення МПС
3. фази абсолютної рефрактерності
4. фази відносної рефрактерності
5. відсутності генерації ПД

6. Протокол практичного заняття №2. “____”_____200___