БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ.

1. Мембранные потенциалы и их ионная природа.

Все процессы жизнедеятельности организма сопровождаются появлением в клетках и тканях электрических потенциалов, которые получили название биоэлектрических. Это явление лежит в основе возбудимости клетки, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения. При этом имеется в виду разность потенциалов между двумя точками живой системы. Такие разности имеют место между содержимым живой клетки и окружающей её средой, между возбуждённым и невозбуждённым участками одной и той же клетки, между участками одного и того же органа, находящимися в различных физиологических состояниях. Благодаря непосредственной связи биопотенциалов с метаболическими процессами и физиологическим состоянием клетки, они являются весьма чувствительными и точно измеряемыми показателями различных изменений в клетках в норме и патологии. Нарушение электрических процессов в клетках и тканях приводит к ряду серьёзных патологий или сопутствует заболеваниям. Исследование электрических потенциалов головного мозга, сердца, мышц, глаза и других органов даёт возможность установить не только расстройства в деятельности этих органов, но и в значительной мере выявить причину этих расстройств. Эти исследования лежат в основе диагностических методов: энцефалографии, электрокардиографии, электромиографии, электроретинографии.

Причина наличия разности потенциалов в живых системах кроется в существовании определённых физико-химических градиентов между отдельными тканями, между клеточным содержимым и окружающей клетку жидкостью.

Различают окислительно-восстановительные потенциалы, возникающие вследствие переноса электронов от одной молекулы к другой. Существуют и мембранные потенциалы, которые возникают вследствие градиента концентрации ионов и переноса их через мембрану, причём один из растворов содержит ионы, или плохо пропускаемые мембраной, или совсем ей не пропускаемые. Биопотенциалы, регистрируемые в организме, – это, в основном, мембранные. Они доступны для измерения и используются в диагностических целях. Мембранный потенциал обусловлен диффузией, однако, диффузией не в свободном пространстве, а через мембрану, когда различия в подвижности анионов и катионов могут значительно увеличиваться. Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностью мембраны:

. (1)

Рассмотрим пример возникновения потенциала на мембране (полупроницаемой). Если сосуд, изображённый на рис.1, разделить мембраной, не пропускающей органические соединения, и оба отсека заполнить раствором KCl, а затем в отсек 2 добавить калиевую соль гемоглобина (KHb), то ионы калия будут переходить из правой половины сосуда в левую, вследствие разности их концентрации (C₁>C₂). Отрицательные ионы концентрируются на правой стороне мембраны и удерживают положительные ионы калия слева. Мембрана поляризуется, на ней возникает мембранный потенциал, определяемый на основании следующего уравнения: , (2)

где C₁ – концентрация ионов в области, откуда идёт диффузия; С₂ – концентрация ионов в области, куда идёт диффузия; T – абсолютная температура; F – число Фарадея (96500 Кл/моль); Z – заряд иона (в единицах элементарного заряда); R – универсальная газовая постоянная (8,3 Дж/Кл · моль). Как следует из уравнения, мембранный потенциал зависит от температуры и от величины концентрационного градиента диффундирующих через мембрану ионов (остальные величины постоянные).

Нечто сходное с указанным примером имеет место в живой клетке, в которой концентрация ионов калия больше, чем в окружающей межклеточной жидкости.

Мембранная теория биопотенциалов хорошо теоретически разработана и подтверждена блестящими экспериментами. Она была выдвинута ещё в 1902 г. Бернштейном. Однако только в 50-х годах эта теория была по настоящему развита и экспериментально обоснована Ходжкиным, которому принадлежат основные идеи и теории о роли ионных градиентов в возникновении потенциалов и о механизме распределения ионов между клеткой и средой.

2. Потенциал покоя.

Потенциал покоя – это стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемых между наружной и внутренней поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разным сторонам мембраны и диффузией ионов через мембрану.

В покоящейся, нормально функционирующей клетке всегда имеется разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой. Еще в 1838 г. Маттеучи впервые установил, что наружная поверхность мышц заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Эта разность потенциалов, свойственная состоянию покоя, и получила название потенциала покоя или мембранного потенциала. Определенное время считали, что потенциал покоя возникает вследствие повреждения клетки или ткани между поврежденным и неповрежденным участками. Поврежденный участок приобретал стойкий отрицательный заряд по отношению к неповрежденному. Однако было обнаружено, что разность потенциалов может возникать и у неповрежденных клеток. Экспериментально величина потенциала покоя была измерена с помощью микроэлектродов, один из которых вводился внутрь клетки (рис.2), а второй помещался во внеклеточную жидкость (1). Если оба электрода поместить во внеклеточную жидкость, то прибор не зафиксирует разность потенциалов (2).

Согласно современным взглядам, причиной возникновения потенциала клеток в покое является неравномерное распределение ионов калия между содержимым клетки и окружающей средой. Концентрация ионов калия в клетках в 20-40 раз превышает их содержимое в окружающей среде. Эта точка зрения базируется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии и могут легко диффундировать.

Исследования Ходжкина и Кейнеса (1953г.), выполненные с радиоактивным ⁴²К на гигантских аксонах кальмара, показали, что подвижность и коэффициент диффузии ионов ⁴²К внутри волокна почти такие же, как в водном растворе.

Избыток положительных зарядов ионов калия внутри клеток компенсируется в основном органическими анионами, содержание которых в клетках сравнительно небольшое. К ним относятся анионы аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и других органических кислот. Согласно Ходжкина, Хаксли, Катца клеточная мембрана проницаема в состоянии покоя только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по градиенту концентрации через клеточную мембрану в окружающую жидкость, анионы не могут проникать через клеточную мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Внешняя поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя отрицательно. Если принять, что потенциал покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина может быть найдена из уравнения Нернста для равновесного мембранного потенциала: . (3)

Разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью мембраны различных клеток, рассчитанная по уравнению Нернста, оказалось очень близкой к измеренной в эксперименте с помощью внутриклеточных микроэлектродов.

Кроме того, калиевый механизм возникновения потенциала покоя убедительно подтверждают эксперименты с изменением концентрации калия в окружающей клетку среде. При изменение наружной концентрации калия в широких пределах наблюдалось закономерное изменение величины потенциалов покоя в соответствии с зависимостью, выраженной уравнением Нернста. В частности, когда концентрацию калия в окружающей клетку среде делали равной концентрации его в клетке, потенциал покоя становился равным нулю.

При измерении потенциала покоя выяснилось, что в одних случаях его измеренное значение соответствует значению, теоретически вычисленному по уравнению Нернста, в других случаях между измеренной и вычисленной величинами имеются значительные различия. Это объясняется тем, что на величину потенциала покоя, наряду с ионами К⁺, оказывают влияние другие ионы, проникающие через мембрану, и показывает, что «калиевая теория» потенциала покоя несовершенна и не полностью объясняет наблюдаемые факты.

Для количественного описания в условиях проницаемости мембран для нескольких ионов Ходжкин и Катц использовали представление о том, что потенциал покоя не равновесный, а стационарный по своей природе, т.е. он отражает состояние системы, когда через мембрану непрерывно идут встречные потоки К⁺, Na⁺,Cl^-. Суммарная плотность потока равна сумме плотности положительно заряженных ионов (одновалентных катионов) минус сумма плотности потоков одновалентных анионов: Ф=Ф_К⁺+Ф_Na⁺-Ф_Cl^-.

Перед Ф_Cl – стоит знак минус, учитывающий отрицательный заряд иона хлора.

В стационарном состоянии суммарная плотность потока равна нулю (Ф=0), т.е. число различных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу выходящих из клетки через мембрану ионов.

Выразив плотности потоков положительных и отрицательных ионов, просуммируем их и приравниваем к нулю, получим:

Третий член этого выражения соответствует плотности потока отрицательно заряженных ионов Cl^-.

После ряда преобразований можно получить выражение для потенциала покоя на мембране для 3-х ионов:

.

Это уравнение называется уравнением стационарного потенциала Гольдмана-Ходжкина-Катца или проще – уравнением Гольдмана. Последнее переходит в уравнение Нернста, если проницаемость одного из ионов гораздо выше, чем для других. Например, в гигантской аксоне кальмара Р_К:Р_Na:Р_Cl=1:0,04:0,45, т.е. Р_К заметно выше, чем для других ионов, поэтому числитель и знаменатель в уравнении примерно равны соответственно и , благодаря чему уравнение превращается в уравнение Нернста для К⁺, т.е. уравнение Нернста является частным случаем уравнения Гольдмана. Рассчитанный по уравнению Гольдмана потенциал гигантского аксона кальмара совпадает с найденным в эксперименте.

 

3. Потенциал действия.

 

Потенциал действия – это электрический импульс, обусловленный изменением ионной проводимости мембраны в связи с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Опыты по исследованию потенциала действия проведены (в основном Хаджкиным и его сотрудниками) на гигантских аксонах кальмара методом микроэлектродов, а так же методом меченых атомов.

Клетки различных тканей при действии различных раздражителей (механических, тепловых, электрических) способны переходить в состояние возбуждения. Возбуждаемость – это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся в совокупности физических, физико-химических процессов и функциональных изменений.

Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны. Опыт показывает, что возбужденный участок клетки становится электроотрицательным по отношению к невозбужденному, что показывает на перераспределение ионов в возбужденном участке. Это перераспределение ионов носит временный характер и после окончания возбуждения вновь восстанавливается потенциал покоя.

Характерной особенностью возникновения потенциала действия является необходимость сверхпорогового возбуждения. Возникновение возбуждения в живых системах сопровождается изменениями проникающей способности их клеточных мембран. В момент возбуждения резко меняется сопротивление мембраны, например, у аксона кальмара от 0,1 0м∙м² в покое до 0,0025 Ом·м² при возбуждении.

Было показано, что возникновение потенциала действия связано с увеличением проницаемости мембран для ионов натрия и последующим усилением диффузии этих ионов по концентрационному градиенту внутрь клетки, что приводит к изменению (уменьшению) мембранного потенциала или деполяризации мембраны.

Уменьшение мембранного потенциала ниже критического уровня приводит к еще большему увеличению проницаемости мембраны для натрия, а увеличение проницаемости сопровождается усилением диффузии Na⁺ в цитоплазму, что вызывает еще большую деполяризацию мембраны. По данным Ходжкина отношение коэффициента проницаемости мембраны аксона кальмара для фазы деполяризации мембраны: P_K:P_Na:P_Cl=1:20:0,45. Если сравнивать его с аналогичным соотношением в состоянии ионов:P_K:P_Na:P_Cl=1:0,04:0,45, то видно, что для К⁺ и Сl^- в первой фазе возбуждения проницаемость не изменяется, а для Na⁺ она увеличивается в 500 раз. Усиленный поток положительно заряженных ионов Na⁺ внутрь клетки вызывает вначале исчезновение избыточного отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны (фаза деполяризации), а затем приводит к перезарядке мембраны, т.е. наружная поверхность мембраны на участке возбуждения становится отрицательной по отношению к невозбужденному. Эта фаза развития потенциала действия называется фазой реверсии.

Поступление ионов натрия в клетку продолжается до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не приобретет положительный заряд, достаточный для уравновешивания градиента концентрации Na⁺ и прекращения его перехода внутрь клетки.

Повышенная проницаемость мембраны для ионов натрия продолжается очень короткий интервал времени (0,5-1мс). Затем усиливается поток ионов К⁺ из клетки, что приводит к восстановлению потенциала покоя на мембране, т.е. ее наружная поверхность за счет вышедших наружу ионов К⁺ опять приобретает положительный заряд, а внутренняя – отрицательный.

Эта фаза, в течение которой поляризация мембраны возвращается на исходный уровень, называется фазой реполяризации.

Фаза реполяризации всегда продолжительнее фазы деполяризации. Таким образом, восстановление потенциала покоя происходит не в результате обратного перемещения ионов Na⁺, а вследствие выхода эквивалентного количества ионов К⁺. В период покоя нормальное состояние концентраций восстанавливается, что обуславливается работой калий-натриевого насоса, который обеспечивает активный перенос этих ионов.

Потенциалы действия представляют собой кратковременные быстро изменяющиеся потенциалы. Длительность потенциала действия в нервных волокнах составляет 1 мс, в сердечной мышце около 300 мс. Величина потенциала действия нерва равна 100-110 мВ, для скелетной мышцы – 120 мВ. Изменение потенциала на мембране можно представить графически на примере гигантского аксона кальмара (рис.3). Так в аксоне кальмара потенциал покоя равен – 45мВ и внутренняя поверхность мембраны электроотрицательная. При возбуждении потенциал внутренней поверхности мембраны становится равным +40мВ и происходит инверсия знака потенциала. Следовательно, полное значение потенциала действия составляет 85мВ, что значительно превышает потенциал покоя.

На рис.3: АВ – фаза деполяризации; ВС – фаза реверсии; СД – фаза реполяризации.

Таким образом, на основе обобщения большого экспериментального материала было установлено, что потенциал действия возникает в результате избыточной по сравнению с покоем диффузией ионов натрия из окружающей среды в клетку. Фактически, формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану. Потоки ионов Na⁺ и К⁺ примерно равны по величине, но сдвинуты по времени. Благодаря этому сдвигу во времени и возможно возникновение потенциала действия. Если бы потоки натрия и калия через мембрану совпадали во времени, то они бы компенсировали друг друга, и никакого изменения мембранного потенциала не могло бы происходить. Характерной особенностью потенциала действия является период рефрактерности (невозбуждения мембраны) во время его развития и остаточные явления в течение 1-3 мс после снятия возбуждения. Это свидетельствует о том, что проницаемость мембраны окончательно восстанавливается не сразу после окончания потенциала действия.

4. Распространение потенциала действия

по нервному волокну.

 

Потенциал действия, возникнув в одном возбужденном участке нервного волокна, быстро распространяется по всей его поверхности. Распространение потенциала действия обусловлено возникновением так называемых локальных токов, циркулирующих между возбужденным и невозбужденным участками. Рассмотрим распространение возбуждения на примере передачи нервного импульса по аксону. В состоянии покоя внешняя поверхность мембраны имеет положительный заряд, а внутренняя – отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны (на возбужденном участке) меняется на отрицательную (рис.4). В результате этого между возбужденным и невозбужденным участками возникает разность потенциалов, что приводит к появлению электрических токов между этими участками (локальные токи или токи действия). На поверхности мембраны ток течет от невозбужденного участка к возбужденному, а внутри – в противоположном направлении.

Локальный ток вызывает увеличение проницаемости соседних невозбужденных участков мембраны, что снижает их потенциал покоя по абсолютной величине, т.е. потенциал повышается. Когда деполяризация достигнет критического (порогового) значения, в этом участке возникает потенциал действия. На участке ранее возбужденном в это время происходят восстановительные процессы реполяризации. Этот процесс многократно повторяется и обеспечивает распространение импульса возбуждения дальше на покоящиеся участки. Под влиянием локальных токов волна возбуждения распространяется без затухания в одном направлении. Может возникнуть вопрос, почему возбуждение распространяется по аксону не в обе стороны от зоны, до которой дошло возбуждение (ведь локальные токи текут в обе стороны от возбужденного участка). Дело в том, что возбуждение может распространяться в области мембраны, находящейся в состоянии покоя, т.е. в одну сторону от возбужденного участка аксона. В другую сторону нервный импульс не может распространяться, так как области, через которые прошло возбуждение, некоторое время остаются невозбудимыми - рефрактерными.

Нервные импульсы проводятся без затухания по аксонам в какой-то степени аналогично передаче электрических сигналов по кабельно-релейной линии.

В нервных волокнах характер распространения возбуждения зависит от наличия или отсутствия в них миелиновых оболочек, которые увеличивают удельное сопротивление мембраны и ее толщину. В безмякотных нервных волокнах возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны. Все участки мембраны при этом становятся возбужденными. В мякотных нервных волокнах, имеющих толстые миелиновые оболочки, которые через 1-3 мм прерываются с образованием перехватов Ренвье (участков, свободных от миелиновой оболочки) (рис.5), возбуждение распространяется несколько по иному. В электрическом отношении миелин является диэлектриком, поэтому локальные токи через миелиновую оболочку протекать не могут. Они циркулируют между перехватами Ренвье. При возбуждении одного перехвата Ренвье между ним и соседним перехватом возникают локальные токи, и импульс как бы перескакивает на второй перехват, со второго – на третий и т.д. Такой способ проведения нервного импульса называется сольтаторным (скачкообразным). При блокировании одного перехвата Ренвье каким-либо анестезирующим веществом импульс сразу передается на третий перехват. При блокировании сразу двух перехватов импульс дальше распространяться не может (велико сопротивление между 1-м и 4-м перехватами). В мякотных волокнах скорость распространения нервного импульса в 10 раз выше, чем в безмякотных при одинаковом диаметре волокон. Расчеты показывают, что скорость распространения возбуждения по гладким немиелиновым нервным волокнам примерно пропорциональна квадратному корню из радиуса (). Эти скорости распространения у некоторых беспозвоночных достигают 20-30 м/с и обеспечиваются большим диаметром (до 1 мм) их волокон. Нарушение миелиновой оболочки приводит к нарушению распространения потенциала действия по нервному волокну, и, как следствие, к тяжелым нервным заболеваниям.

ЛЕКЦИЯ №20