Потенциал покоя. Потенциал действия.

ПП – это разность потенциалов м-ду внутренней и наружной поверхностью м-ны у кл-ки, которая находится в состоянии физиологического покоя. При этом наружная сторона заряжена «+», внутренняя – «-». Величина ПП может быть в пределах 30-90мВ. Для обозначения величины отрицательного заряда мембраны применяют символ Е₀. В механизме возникновения ПП ведущая роль принадлежит следующим факторам:

1. Наличие разности концентраций (градиентов) ионов K⁺ и Na⁺ м-ду внутриклеточной и внеклеточной средой. Градиент по содержанию Na⁺ в разных кл-ках – от 10 до 15. Еще большая величина градиента K⁺ – от 30 до 40. Содержание ионов хлора и кальция снаружи клеток больше, чем внутри. Градиент по хлору у разных кл-ток может значительно различаться, составляя от 12 до 30. Градиент по кальцию может достигать 10000.

2. Различная проницаемость клеточных м-н для минеральных ионов. Если нейрон находится в состоянии физиологического покоя, то соотношение проницаемости его мембраны для ионов K⁺, Na⁺, Cl^- можно отразить след. пропорцией: п K⁺: п Na⁺: п Cl^- = 1:0,04:0,45. В покое проницаемость м-ны для калия больше, чем дя натрия, в 25 раз и больше, чем для хлора, приблиз. В 2 раза.

Из-за большой концентрации K⁺ в кл-ке и относительно высокой проницаемости для него клеточной м-ны калий выходит и выносит с собой положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные ионы не могут пройти через м-ну и остаются в кл-ке. Таким образом, на кл-ой м-не формируется разность потенциалов с отрицательным зарядом внутри кл-ки и положительным снаружи.

3. Работа натрий-калиевого насоса, которая вносит вклад в создание ПП. Этот встроенный в м-ну белок называют Na⁺, K⁺ АТФазой. Расщепляя 1 молекулу АТФ, этот насос переносит 3 иона натрия из кл-ки наружу и 2 иона калия снаружи внутрь. На 2 положительных заряда, поступающих в кл-ку, выносится 3 положительных заряда из кл-ки. Этот насос косвенно способствует поляризации м-ны, создавая высокую концентрацию калия в кл-ке.

ПД – это быстрое, высокоамплитудное изменение заряда м-ны, вызываемое действием достаточно сильных (сверхпороговых) раздражителей, это волнадеполяризации, распрост-ся от тела клетки по аксону к нервным окончаниям. Скорость распрост-ия 120 м/с.Характерным признаком наличия ПД служит появление кратковременной инверсии (перемены) знака заряда на м-не. Снаружи он на короткое время (0,5-2мс) становится «­». Величина инверсии может составлять до 30мВ, а величина всего ПД – 60-130мВ. Потенциал действия запускается образованием Nа⁺-каналов, связанных с рецепторами нейромедиаторов (канал обеспечивает облегчённая диффузия). Эти каналы создают пороговый потенциал, равный приблизительно 10 мВ. Преодоление порогового потенциала открывает потенциалчуствительные Nа⁺- каналы, через которые внутрь аксона устремляется Nа⁺. Потенциал принимаем имеющим отрицательное значение (-75 мВ), потому что внутриклеточное содержимое заряжено отрицательно. Чем сильнее изменяется потенциал – тем сильнее и больше открываются Nа⁺- каналы. Потенциал +20 мВ – это максимальный положительный потенциал, возникающий на аксоне – он называется потенциал действия. Однако натриевые каналы остаются открытыми не более 1-2мс. Через такое время от момента начала ПД закрываются инактивационные ворота и натриевые каналы становятся непроходимыми для Na⁺. Поэтому поток Na⁺ внутрь кл-ки резко ограничивается, а поток ионов калия из кл-ки наружу возрастает из-за открытия калиевых каналов. Поток K⁺ удаляет из кл-ки избыток «+» зарядов и м-на быстро реполяризуется – на ее внутренней стороне восстанавливается «-» заряд.

Если на кл-ку действует сверхпороговый раздражитель, то величина локального потенциала достигает уровня Е_к и возникает ПД. В этот момент возбудимость кл-ки мгновенно падает до нулевого уровня. Начинается фаза абсолютной рефрактерности (невозбудимости). Эта фаза длится до начала реполяризации. После начала реполяризации возбудимость кл-ки начинает возрастать, но остается пониженной относительно уровня нормы – фаза относительной рефрактерности. Во время следовой отрицательной возбудимость кл-ки повышена – фаза супернормальной возбудимости (экзальтации), а во время следовой положительности – понижена (фаза субнормальной возбудимости).

Возбудимость кл-ки имеет прямую зависимость от разности уровней потенциала покоя (Е₀) и потенциала критической деполяризации (Е_к). Эту разность называют пороговым потенциалом (ΔЕ):

ΔЕ= Е₀ - Е_к.

Чем меньше ΔЕ, тем больше возбудимость.

ПД подразделяют на участки: деполяризацию, реполяризацию и гиперполяризацию.

Деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, в ней выделяют участок, соответствующий локальному потенциалу (от уровня Е₀ до Е_к), быструю деполяризацию (от уровня Е_к до уровня 0мВ), инверсию знака заряда (от 0мВ до начала реполяризации). Далее идет реполяризация. Приближаясь к уровню Е₀, ее скорость может замедляться, и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией идет гиперполяризация (возрастание поляризации м-ны). Ее называют следовым положительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть ПД называют также пик или спайк. Он включает фазы деполяризации (до следового

Равновесн. процессы – бесконечно медленные процесс., они предст-т идеализир-ное описание реальных процессов. Е.

 

25. Биофизические механизмы возбудимости.

Потенциал действия – волна деполяризации, распространяющаяся вдоль тела аксона. Нервный импульс это и есть волна деполяризации. Проведение нервного импульса это и есть потенциал действия. Потенциал (из физики) – напряжение. Проведение импульсов возможно тогда, когда ПД достигнет перехвата Ранвье и приводит к открытию потенциалчувствительных натриевых каналов.

Потенциал покоя обеспечивается неравномерным распределением ионов Nа⁺ и К⁺ и избирательной проницаемостью к ионам плазматической мембраны аксона. Электрический потенциал мембраны – 10 мВ. Внутри к-к – избыток «-«заряда, снаружи «+». Циклическое изменение потенциала аксона и называется потенциалом действия. Запускается нервный импульс (потенциал действия) взаимодействием нейромедиаторов соответствующими рецепторами на постсинаптической мембране.

Покоящийся аксон характеризуется потенциалом покоя, под которым понимаем трансмембранный потенциал, который равен -70 мВ, существующий в каждой точке возбуждённого волокна. Первые эксперименты по измерению трансмембранного потенциала были проведены учёными Ходжкин и Катц на гигантском аксоне кальмара.

График ПД – это график зависимости электрического потенциала мембраны от времени.

ПД подразделяют на участки: деполяризацию, реполяризацию и гиперполяризацию.

Деполяризацией называют всю восходящую часть ПД, в ней выделяют участок, соответствующий локальному потенциалу (от уровня Е₀ до Е_к), быструю деполяризацию (от уровня Е_к до уровня 0мВ), инверсию знака заряда (от 0мВ до начала реполяризации). Далее идет реполяризация. Приближаясь к уровню Е₀, ее скорость может замедляться, и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией идет гиперполяризация (возрастание поляризации м-ны). Ее называют следовым положительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть ПД называют также пик или спайк.

В механизме развития ПД важнейшая роль принадлежит увеличению проницаемости клеточной м-ны для ионов Na⁺. При действии на кл-ку электрического тока он вызывает ее деполяризацию, и когда заряд м-ны уменьшается до критического уровня (Е_к) – открываются электроуправляемые натриевые каналы. Чтобы канал мог пропустить Na⁺, необходимо, чтобы все его ворота были открыты. Это и происходит, когда деполяризация достигает уровня Е_к. Открытие натриевых каналов приводит к лавинообразному вхождению натрия внутрь кл-ки. Поскольку ионы натрия несут «+» заряд, они нейтрализуют избыток «-» зарядов в кл-ке, затем на внутренней стороне м-ны происходит инверсия (перемена) знака заряда с «-» на «+».

Однако натриевые каналы остаются открытыми не более 1-2мс. Через такое время от момента начала ПД закрываются инактивационные ворота и натриевые каналы становятся непроходимыми для Na⁺. Поэтому поток Na⁺ внутрь кл-ки резко ограничивается, а поток ионов калия из кл-ки наружу возрастает из-за открытия калиевых каналов. Поток K⁺ удаляет из кл-ки избыток «+» зарядов и м-на быстро реполяризуется – на ее внутренней стороне восстанавливается «-» заряд.

Если на кл-ку действует сверхпороговый раздражитель, то величина локального потенциала достигает уровня Е_к и возникает ПД. В этот момент возбудимость кл-ки мгновенно падает до нулевого уровня. Начинается фаза абсолютной рефрактерности (невозбудимости). Эта фаза длится до начала реполяризации. После начала реполяризации возбудимость кл-ки начинает возрастать, но остается пониженной относительно уровня нормы – фаза относительной рефрактерности. Во время следовой отрицательной возбудимость кл-ки повышена – фаза супернормальной возбудимости, а во время следовой положительности – понижена (фаза субнормальной возбудимости).

Возбудимость кл-ки имеет прямую зависимость от разности уровней потенциала покоя (Е₀) и потенциала критической деполяризации (Е_к). Эту разность называют пороговым потенциалом (ΔЕ):

ΔЕ= Е₀ - Е_к.

Чем меньше ΔЕ, тем больше возбудимость.

Ионные каналы действуют не по всей длине аксона, а только в перехватах Ранвье. Перемещение ионов поперек волокна обеспечивается чрезвычайно высокую скорость распространения импульсов вдоль волокна.

 

26. Синапсы

Синапс – специализированная ст-ра, обеспечивающая передачу возбуждающих или тормозных влияний с одной возбудимой кл-ки на другую(контакт 2-х нервных клеток). Это может быть передача возбуждения или торможения с одной нервной кл-ки на другую, с нервной кл-ки на волокно скелетной или гладкой мышцы, а также с рецепторной кл-ки на нервное волокно.

Синапс состоит из 1) пресинаптической мембраны (внутри имеются везикулы, содержащие нейромедиаторы – норадреналин, ГАМК, ацетилхолин и т. д.) 2) синаптическая щель и 3) постсинаптическая мемб. (содержит специфические рецепторы, реагирующие с нейромедиаторами).

По механизму передачи возбуждения синапсы подразделяют на электрические, химические, смешанные. В электрических синапсах возбуждение передается электротонически, за счет локальных круговых токов м-ду пре- и постсинаптическими м-ми. Эти м-ны находятся очень близко друг к другу (на расстоянии 1-2нм), м-ду ними существуют целевые контакты, обладающие хорошей электропроводностью. Большинство синапсов в организме человека – химические.

По признаку медиатора (в-ва-посредника), выделяемого в синапсах, их подразделяют на: холинэргические – ацетилхолин, адренергические – адреналин и норадреналин и др. Медиаторами могут быть дофамин, аминокислоты глутамин и аспарагин, выполняющие возбуждающую функцию в нервных центрах. Тормозные влияния передаются чаще всего нейромедиаторами глицином и гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК).

В передаче возбуждения в синапсах могут участвовать пептиды: в-во П, ВИП (вазоинтестинальный пептид), соматостатин, эндорфины, энкефалины. Эти в-ва выделяются вместе с основным медиатором (ацетилхолином, норадреналином, серотонином) и оказывают модулирующее действие на передачу возбуждения в синапсе.

 

27. Биоэнергетика. Источники свободной энергии и ее запасание в макроэргических соединениях.

Одна из важнейших функций биологических мембран – это запасание Е, в доступной для к-ки формы. На внутренней мембране митохондрий происходит перенос сопрягающих протонов, кот. осуществляется по градиенту их концентрации. Перенос протонов используется для синтеза АТФ.В качестве энергосинтезирующих мембран выступают: внутр. мемб. митохондрий, хлоропластов и плазматическая мембрана некоторых бактерий.В кач-ве сопряженных ионов выступают протоны и редких случаях Na.

Клетка использует хим. тип энергии, хранящийся в виде хим. связей. В 1961 Питер Митчелл сформулировал хемио-осматическую гипотезу. Смысл гипотезы: (Белки, углеводы, жиры→АК, моносахара, ЖК→гликолиз→ЦТК→субстраты ЭТЦ митохондрий→О₂→Н₂О) в ходе окисления субстратов происходит генерация трансмембранного электро-хим. потенциала, связанного с возникновением протонного градиента на мембране. Далее этот протон. градиент используется для синтеза АТФ. В ходе окисления субстратов электроны переносятся на молекулу кислорода и она восстанавливается до молекулы воды. О2+4е=Н2О Поток электронов вдоль внутр. мембраны митохондрий создает градиент протонов через митохондриальную мембрану. Трансмембранный протонный градиент используется для синтеза АТФ АТФ-синтетазой. rрН – протондвижущая сила или протонный градиент.В качестве доноров электронов используют 2 важнейших субстрата НАДН и сукцинат. Конечным акцептором электронов является О₂, который потом восстанавливается до Н₂О. Функция внутренней мембраны митохондрий – сопряженный перенос электронов и протонов. В электрон- транспорт. цепь, обеспечивающую возникновение протонного градиента входят 4 комплекса переноса заряда локализованных во внутр. мембране митохондрий и несколько низкомолекул. переносчиков электронов свободно диффундирующих в мембране.

I - ННДН- убихинон-оксидредуктаза (электрон от НАДН окисляет в убихинон)

Q – убихинон, II – сукцинат-убихинон оксидредуктазы (электрон от сукцината переносит на убихинон), III – убихинон цитохром С оксидредуктаза, IV- цитохром С кислород оксидредуктаза (электрон с цитохрома С переносят на О2) или цитохромоксидаза.

АТФ-синтаза состоит из двух субъединиц (F0,F1) АДФ+Фн=АТФ. Электрон-транспорт. цепь работает практически без тепловых потерь. Электрохим. градиент создаваемый работой ЭТЦ равен rμн+ = F*φ+2,3RTrрН, где F – постоянная Фарадея, φ – электрический потенциал, R- универсал. газовая постоянная, rрН- протонный градиент.

Электро-хим. потенциал – свободная энергия системы использующаяся для синтеза АТФ. В нек. бактериях для синтеза АТФ используется градиент ионов натрия.

 

28. Основные понятия и законы фотофизики и фотохимии.

Одно из важнейших направлений современной биофизики – исследования молекулярных физических и физико-химических взаимодействий, лежащих в основе биологических явлений. Спектральные методы широко применяются для изучения разнообразных свойств и реакций биологических систем и макромолекул. Среди спектральных методов наибольшее распространение получили оптические методы, основанные на взаимодействии молекулярных систем с оптическим излучением.

Основные параметры светового излучения:

-длина волны λ (нм) и частота излучения ν (Гц), связанные соотношением ν = с/λ (с - скорость света),

-энергия кванта света Е = ħ∙ν (ħ – постоянная Планка),

- интенсивность излучения I = n∙E (n- число квантов в световом потоке).

Энергия квантов света в видимой области, вызывающих фотобиологические реакции, составляет 170-340 кДж/моль. Оптический диапазон длин волн включает ультрафиолетовое (200-400 нм), видимое (400- 800 нм), инфракрасное (800-10000 нм) излучение.

Поглощение света веществом – внутримолекулярный одноэлектронный физический процесс. Свет поглощается молекулами, при этом электрон переходит из основного в энергетически более высокое возбужденное состояние. Вся энергия кванта света поглощается сразу за время 10^-15- 10^-14с, поглощение света – процесс дискретный.

Свет представляет электромагнитную волну, при взаимодействии с веществом свет ведет себя подобно потоку частиц(квантов света или фотонов). Энергия фотонов определяется длиной волны излучения. Из квантов света с различными энергиями могут поглощаться только те, энергия которых соответствует энергии переходов между какой-либо парой уровней в молекуле вещества.

Каждый электрон в молекуле находится на опреде­ленной орбитали и обладает определенной энергией. Таким образом, в молекуле существует система электронных энергетических уровней. Для химических и опти­ческих свойств молекулы наиболее важны два уровня: это верхняя (по энергии) заполненная молекулярная орбиталь (ВЗМО) и нижняя свободная молекулярная орбиталь (НСМО). ВЗМО обладает донорными свойствами. Потенциал иони­зации – энергия, которую необходимо затратить, чтобы оторвать электрон от молекулы. Чем выше энергия ВЗМО, тем ниже потенциал ионизации молекулы и тем лучший она донор электронов. Например, высоким зна­чением энергии ВЗМО обладает витамин Е, что обусловливает его антиоксидантные свой­ства.

Энергия НСМО определяет акцепторные свойства мо­лекулы: чем ниже НСМО, тем охотнее данная молекула присоединяет электрон.

На каждом заполненном энергетическом уровне могут находиться только два электрона, имеющие противопо­ложные собственные магнитные моменты (спины). Если мо­лекуле сообщить энергию, например, в форме кванта света, то произойдет переход одного электрона с заполненного уровня (S₀) на один из незаполненных уровней. Молекула ока­жется в электронно-возбужденном состоянии. Уровни S о, S₁, S₂,…., называются синглетными, при переходах между ними спин электрона не меняется. Время жизни молекул в состоянии S₁ составляет 10^-8 - 10^-9с. С определенной вероятностью реализуются пути превращения энергии со­стояния S₁: 1) в тепло: S₁→ S₀ 2) испускание кванта флуоресценции: S₁→ S₀ + h ∙ν _фл; 3) фотохимическая ре­акция: S₁→ продукт; 4) передача энергии возбуждения другой молекуле; 5) обращение спина электрона и переход молекулы в триплетное возбужденное состояние Т₁: S₁→ T₁. Переход из триплетного состояния в основное запре­щен, так как спины электронов одинаковы. Поэтому в состоянии Т₁ молекула находится значительно дольше (10^-4-10 с), чем в S₁ (10^-8-10^-9 с).

Существует несколько путей растраты энергии из триплетного (Т₁) состояния молекулы: 1) безизлучательный переход в S_o с обращением спина: T₁ →;S₀; 2) испускание кванта фосфоресценции: T₁ →;S ₀+ h ∙ν; 3) фотохимическая реакция; 4) передача энергии возбуждения другой моле­куле.Способность молекул поглощать свет лежит в основе спектрофотометрии. Погло­щение света проявляется в ослаблении светового потока после прохождения через исследуемый объект, и оно тем больше, чем выше концентрация вещества (с, моль∙л^–1), толщина раствора (1, см), способность вещества к погло­щению. Для монохроматического света эти закономерности выражаются законом Бугера — Ламберта — Бера: Д=lg∙I₀/I = εcl, где D — так называемая оптическая плотность образца, I₀ и I — интенсивности падающего и прошедшего через раствор вещества света. Величину ε (моль^{-1 л см-1}) называют молярным коэф­фициентом экстинкции. Иногдаиспользуют параметр поперечное се­чение поглощения s. Физический смысл s — эффективное сечение молекулы, при попадании в которое происходит поглощение фотона данной длины волны.

Графики, выражающие зависимости оптической плотности D, коэффициента молярной экстинкции ε или s от дли­ны волны, называются спектрами поглощения. Электронные спектры поглощения возникают в результате переходов электронов в возбужденные состояния и наблюдаются в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях (120-1000 нм). Энергии переходов составляют 1000-120 кДж/моль (240-30 ккал/моль). При поглощении такой энергии одновременно происходит изменение в колебательных и вращательных состояниях, вследствие чего электронные спектры состоят из широких полос.