1625915635-92a031038627ac3eac2957c3e668e3ef (843953), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Чтобы из¬бежать возможных искажений, в электрофизиологических экспериментахиспользуют специальные слабополяризующиеся электроды, напримерхлорсеребряные или каломельные, имеющие незначительный поляризаци¬онный потенциал.При исследовании электрофизиологических характеристик отдельныхклеток применяют стеклянные микроэлектроды. Они представляют собоймикропипетку с диаметром кончика менее 0,5 мкм, заполненные ЗМ рас¬твором хлорида калия.В электрофизиологических экспериментах применяют различные уси¬лители биологических сигналов, позволяющие измерять минимальные из¬менения тока (до 1 0 А) и напряжения (до 1 0 В).
В связи с тем что ре¬гистрируемые сигналы могут иметь высокую скорость нарастания перед¬него фронта, усилители должны иметь достаточно широкую полосу пропу¬скания (сотни кГц). Наибольшие требования предъявляют к входным кас¬кадам усилителей, которые должны быть согласованы с внутренним со¬противлением измерительного электрода. Наибольшие трудности экспери¬ментатор встречает при использовании микроэлектродов для регистрациибыстрых изменений тока или потенциала, поскольку микроэлектродыимеют очень высокое внутреннее сопротивление (до 150 Мом).Стимуляторы, регистраторы, системы управления экспериментом и об¬работки физиологической информации еще более разнообразны, и ихописание можно найти в специальной литературе.На рис.
2.3, А показана схема простейшей установки для измерениятрансмембранной разности потенциалов и изучения реакций возбудимоймембраны при ее электрической стимуляции.-12-7Исследуемый биологический объект (клетка, кусочек ткани) помещен в камеру,содержащую солевой раствор и электрод сравнения. Если измерительный элект¬род также находится в растворе, то разность потенциалов между ним и электродомсравнения стремится к нулю.
В момент проникновения микроэлектрода внутрьклетки регистрируют отрицательный потенциал относительно внешней среды(рис. 2.3, Б). У покоящейся клетки с нормальным метаболизмом и стабильнымиусловиями внешней и внутренней среды постоянная разность потенциалов будетрегистрироваться неопределенно долго. Эта постоянная разность потенциалов на¬зывается потенциалом покоя, или мембранным потенциалом покоя. При этом потен¬циал внеклеточной среды принимается равным нулю.
Величина потенциала покоянеодинакова у различных типов клеток и колеблется обычно от —70 до —95 мВ.В том случае, если в клетку введен второй, стимулирующий микроэлектрод,можно исследовать реакцию возбудимой мембраны на действие электрическоготока. Если стимулирующий электрод электроотрицателен по отношению к внут¬ренней среде клетки, то говорят о входящем токе; при этом общая трансмембран¬ная разность потенциалов увеличивается, т. е. происходит гиперполяризация кле¬точной мембраны. Напротив, если стимулирующий электрод электроположителенпо отношению к внутренней среде клетки, то говорят о выходящем токе; при этомобщая трансмембранная разность потенциалов уменьшается, т.е.
происходит де¬поляризация клеточной мембраны (рис. 2.4).46Рис. 2.3. Эксперимент внутриклеточной регистрации трансмембранных потенциа¬лов и электростимуляции клеточной мембраны.А — экспериментальная установка для изучения электрических характеристик клеточныхмембран; Б — момент введения микроэлектрода в клетку.1 — микроэлектрод для подачи тока; 2 — микроэлектрод для регистрации ответной реакцииклеточной мембраны; 3 — электроды сравнения; 4 — измеритель величины раздражающеготока; 5 — усилитель; б — регистратор.Как правило, при действии гиперполяризующего тока потенциал мемб¬раны изменяется в соответствии с законом Ома.
При этом изменение по¬тенциала не зависит от молекулярных процессов в мембране, поэтому го¬ворят, что изменяются пассивные электрические свойства мембраны. Придействии деполяризующего тока потенциал мембраны не подчиняется за¬кону Ома, что связано с изменением функциональных характеристик ион¬ных каналов клеточной мембраны. Если деполяризация клеточной мемб¬раны достигает так называемого критического уровня, происходит актива--80аРис. 2.4. Реакция возбудимой мембраны наДействие деполяризующего и гиперполяри¬зующего токов.а — реакция клеточной мембраны на гиперполяризующий (1, 2) и деполяризующий (3, 4) ток;б — величина и направление гиперполяризующего (Г, 2') и деполяризующего (3', 4') стимулиру¬ющего тока.б47ция ионных каналов клеточной мембраны и возникает потенциал дейст¬вия. Критический потенциал (Е ) — уровень мембранного потенциала,при котором начинается генерация потенциала действия.
Потенциал дей¬ствия (ПД, спайк, импульс) — быстрое колебание мембранного потенциа¬ла в положительном направлении. В этом случае мембрана реагирует ак¬тивно, поскольку изменение трансмембранной разности потенциалов обу¬словлено изменением функциональных свойств ионных каналов.Детальный анализ процессов, протекающих в мембранах возбудимыхклеток, был проведен Ходжкиным, Хаксли и другими исследователями вопытах на гигантском аксоне кальмара и привел к созданию современнойтеории происхождения потенциала покоя и потенциала действия.кр2.1.4.
Потенциал покояСхема опыта Ходжкина—Хаксли; в аксон кальмара диаметром около1 мм, помещенный в морскую воду, вводили активный электрод, второйэлектрод (электрод сравнения) находился в морской воде. В момент введе¬ния электрода внутрь аксона регистрировали скачок отрицательного по¬тенциала, т.е. внутренняя среда аксона была заряжена отрицательно отно¬сительно внешней среды.Как указывалось в разделе 2.1.2, электрический потенциал содержимо¬го живых клеток принято измерять относительно потенциала внешнейсреды, который обычно принимают равным нулю.
Поэтому считают сино¬нимами такие понятия, как трансмембранная разность потенциалов в по¬кое, потенциал покоя, мембранный потенциал. Согласно концепции Ход¬жкина и Хаксли, величина потенциала покоя зависит от ряда факторов, вчастности от селективной (избирательная) проницаемости клеточной мем¬браны для различных ионов; различной концентрации ионов цитоплазмыклетки и ионов окружающей среды (ионная асимметрия); работы меха¬низмов активного транспорта ионов. Все эти факторы тесно связаны меж¬ду собой, и их разделение имеет определенную условность.
Известно, чтов невозбужденном состоянии клеточная мембрана высокопроницаема дляионов калия и малопроницаема для ионов натрия. Это было показано вопытах с использованием изотопов натрия и калия: спустя некоторое вре¬мя после введения внутрь аксона радиоактивного калия его обнаруживаливо внешней среде. Таким образом, происходит пассивный (по градиентуконцентраций) выход ионов калия из аксона. Добавление радиоактивногонатрия во внешнюю среду приводило к незначительному повышению егоконцентрации внутри аксона.
Пассивный вход натрия внутрь аксона не¬сколько уменьшает величину потенциала покоя.Установлено, что имеется разность концентраций ионов калия вне ивнутри клетки, причем внутри клетки ионов калия примерно в 20—50 разбольше, чем вне клетки (табл. 2.2).Т а б л и ц а 2 2 . Концентрация ионов снаружи и внутри клеткиТканьВнутриклеточнаяконцентрация, мМNaНервное волокно кальмараМышечное волокно лягушки48+4910К+110140Внеклеточнаяконцентрация, мМNa+140120К+222,5Разность концентраций ионов калия вне и внутри клетки и высокаяпроницаемость для них клеточной мембраны обеспечивают диффузион¬ный ток этих ионов из клетки наружу и накопление избытка положитель¬ных К на наружной стороне клеточной мембраны, что противодействуетдальнейшему выходу К из клетки. Диффузионный ток ионов калия суще¬ствует до тех пор, пока стремление их двигаться по концентрационномуградиенту не уравновесится разностью.потенциалов на мембране.
Эта раз¬ность потенциалов называется калиевым равновесным потенциалом.Равновесньй потенциал (для соответствующего иона, Е ) — разность потенциалов между внутренней средой клетки и внеклеточной жидкостью,при которой вход и выход иона уравновешен, т.е. стремление ионов диф¬фундировать по концентрационному градиенту сбалансировано электро¬статической силой — трансмембранной разностью потенциалов.Важно подчеркнуть следующие два момента: 1) состояние равновесиянаступает в результате диффузии лишь очень небольшого количестваионов (по сравнению с их общим содержанием); калиевый равновесныйпотенциал всегда больше (по абсолютному значению) реального потен¬циала покоя, поскольку мембрана в покое не является идеальным изоля¬тором, в частности имеется небольшая утечка Na . Сопоставление теоре¬тических расчетов с использованием уравнений постоянного поля Голдмана, формулы Нернста показали хорошее совпадение с эксперименталь¬ными данными при изменении вне- и внутриклеточной концентра¬ции К .Трансмембранную диффузионную разность потенциалов рассчитываютпо формуле Нернста:++к++где Е — равновесный потенциал; R — газовая постоянная; Г— абсолют¬ная температура; Z — валентность иона; F — постоянная Фарадея; К иК, — концентрации К вне и внутри клетки соответственно.Величина мембранного потенциала для значений концентрации Кприведенных в табл.
2.2, при температуре +20 °С составляет примерно60 мВ. Поскольку концентрация ионов К вне клетки меньше, чем внутри, Е будет отрицательным.В состоянии покоя клеточная мембрана высокопроницаема не толькодля К . У мышечных волокон мембрана высокопроницаема и для С1В клетках с высокой проницаемостью для СГ, как правило, оба иона С1 и К практически в одинаковой степени участвуют в создании потенциала покоя.Известно, что в любой точке электролита количество анионов всегдсоответствует количеству катионов (принцип электронейтральности), поэтому внутренняя среда клетки в любой точке электронейтральна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
