ПРАКТИЧНА РОБОТА 4
Електрофізіології нервової ТКАНИНИ
Мета роботи: розглянути процес деполяризації клітинної мембрани і поширення електричного заряду вздовж нервового волокна, виконати практичне завдання
Іони, подібно незарядженим часткам, переходять через мембрану з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією. При цьому провідність іонів залежить не тільки від проникності самої мембрани, але і від заряду цих іонів, оскільки однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Зміна іонної проникності мембрани викликає зміна електрохімічного стану мембрани і веде до виникнення електричного імпульсу.
Електричний імпульс, обумовлений зміною іонної проникності мембрани, називається потенціалом дії.
Потенціал дії обумовлює поширення збудження по нервових волокнах. Він являє собою короткочасний регенераційні потенціал, який поширюється вздовж аксона або м'язового волокна і виникає у відповідність до закону «все або нічого», який ґрунтується на понятті критичного порога деполяризації.
Критична порогова деполяризація, тобто зміна заряду по обидві сторони мембрани на протилежний, веде до збільшення проникності для іонів натрію. Зі зміною проникності відбувається тимчасове збільшення електропровідності клітинної мембрани.
У складі потенціалу дії входять три фази:
фаза деполяризації, тобто зникнення заряду клітини - зменшення мембранного потенціалу до нуля;
фаза інверсії, тобто зміна заряду клітини на протилежний;
фаза реполяризації, тобто відновлення вихідного заряду клітини, коли внутрішня поверхня клітинної мембрани знову заряджається негативно, а зовнішня - позитивно.
В основі виникнення потенціалу дії лежить дію подразника на клітинну мембрану. Далі сам процес розвитку потенціалу дії викликає фазові зміни проникності мембрани, що забезпечує швидкий рух іонів натрію в клітину, а іонів калію - з клітки. Величина мембранного потенціалу при цьому зменшується, а потім знову відновлюється до вихідного рівня. Описана закономірність представлена на малюнку 1.
Завдання 1. Самостійно визначте співвідношення зарядів всередині клітини і на її поверхні, позначте на малюнку
Малюнок 1 - Схема, теоретичної кривої потенціалу дії
Фаза деполяризації виникає в результаті дії подразника на клітину. Подразником є нейромедіатор, тобто хімічно активна речовина, яка при взаємодії з мембраною клітини (рецепторними білками) здатне змінювати проникність для іонів натрію. Оскільки іони проникають в клітку через іонні канали, отже, їх надходження також залежить і від стану цих каналів. Стан іонних каналів залежить від величини мембранного потенціалу, тому що проникають в клітку іони натрію одночасно знижуючи мембранний потенціал, викликають зміну стану каналу. При досягненні -50 мВ відкривається велика кількість потенціалзалежні Na-каналів і іони натрію лавиною спрямовуються в клітину.
Лавиноподібне надходження позитивно заряджених іонів натрію в клітину веде до зміни заряду мембрани: число позитивно заряджених іонів в клітці перевищує число негативних. Процес перезарядки мембрани складає другу фазу потенціалу дії - фазу інверсії. Тепер електричний градієнт перешкоджає входу натрію в клітину. Тому приблизно через 0,5-1 мс зростання потенціалу дії припиняється внаслідок закриття воріт Na-каналів і відкриття ворота К-каналів. Оскільки заряд на зовнішній поверхні мембрани в даний момент негативний іони калію, число яких в 10 разів більше ніж іонів натрію, спрямовуються з клітки, відновлюючи тим самим позитивний заряд на зовнішній поверхні.
У фазу інверсії виходу іонів калію сприяє електричний градієнт - іони калію виштовхуються позитивним зарядом з клітки і притягуються негативним зарядом зовні клітини.
Завдання 2. Самостійно визначте співвідношення зарядів всередині клітини і на її поверхні, позначте і підпишіть фази потенціалу дії на малюнку 2.
Малюнок 2 - Схема фаз потенціалу дії
Вся спадна частина піка потенціалу дії обумовлена виходом іона калію з клітки, вона супроводжується відновленням потенціалу спокою мембрани і тому називається фазою реполяризації. Фаза реполяризації триває від 0,5 до 1,5 мс.
Виникнення потенціалу дії можливо при досягненні необхідного критичного порога (КУД - критичний рівень деполяріцаіі). У цьому стані мембранний потенціал φм різко підвищується і змінює свій знак на позитивний знак (φвн> φнар). Досягнувши деякого позитивного значення, назвемо його потенціалом реверсії (φм рев), мембранний потенціал повертається до значення потенціалу спокою (φм ПП). Тому амплітуда потенціалу дії становить:
У разі досягнення КУД, виникає локальний потенціал - подпороговое збудження, тобто потенціал від -70 мВ до КУД -50 мВ.
Поширюється локальний потенціал на невелику відстань 1-2 мм з загасанням (декрементом). Локальними потенціалами збудливих клітин є:
збудливий постсинаптичний потенціал;
гальмівний постсинаптичний потенціал.
Локальні потенціали змінюють мембранний потенціал спокою в сторону деполяризації в результаті входу в клітину іонів натрію. В результаті чого між ділянкою волокна, в якому виник локальний потенціал, і сусіднім ділянкою формується різниця потенціалів, що викликає рух іонів по електричному градієнту.
Іони натрію на зовнішній поверхні мембрани починають переміщатися в бік тієї ділянки, в якому виник локальний потенціал. При цьому позитивний потенціал зовнішньої поверхні мембрани сусідньої ділянки зменшується.
Завдання 3. Самостійно вкажіть напрямок і покажіть на малюнку 3 поширення локального електричного потенціалу в безмиелиновом волокні
Малюнок 3 - Схема проведення локального потенціалу
На внутрішній поверхні мембрани іони натрію, що увійшли в клітку, рухаються у зворотному напрямку.
При досягненні критичного порога деполяризації (-50 мВ) виникає потенціал дії поширюється уздовж волокна без загасання. Залежно від розташування і концентрації іонних каналів в мембрані волокна можливо два типи проведення потенціалу дії:
безперервне проведення нервового імпульсу;
сальтаторного проведення нервового імпульсу.
Безперервне проведення нервового імпульсу здійснюється в безміелінових волокнах, що пояснюється рівномірним розподілом потенціал чутливих іонних каналів.
Безперервне поширення нервового імпульсу йде через генерацію нових потенціалів дії по естафеті, коли кожен виникає імпульс є подразником для сусідньої ділянки нервового волокна і забезпечує виникнення нового потенціалу дії.
Завдання 4. Самостійно вкажіть напрямок і покажіть на малюнку 4 поширення електричного потенціалу в миелиновом волокні
Малюнок 4 - Схема сальтаторного проведення нервового імпульсу
В мієлінових волокнах здійснюється сальтаторного проеведеніе нервового імпульсу. Потенціалчувствітельние іонні канали в таких волокнах локалізовані тільки в ділянках мембрани перехоплень Ренвілль.
В області миелинового шару потенціалчувствітельних каналів немає і проведення електричного потенціалу на цій ділянці неможливо. Внаслідок чого мембрана осьовогоциліндра тут невозбудімості. Тому потенціал дії, що виник в одному перехопленні Ренвілль, поширюється стрибкоподібно, а струм виникає в результаті різниці потенціалів (зарядів) між розташованими поруч перехопленнями Ренвілль.
Порушення в мієлінових волокнах поширюється зі швидкістю до 120 м / с (швидкість проведення в безміелінових волокнах 0,5-2,0 м / с).
Для вирішення завдань розгляньте малюнок 1, зверніть увагу на область рівноважного потенціалу для калію (на осі ординат значення менше - 60 мВ) і область рівноважного потенціалу для натрію (на осі ординат значення від 0 до + 30 мВ). З малюнка видно, що область потенціалу спокою клітини визначає різницю іонів калію на внутрішній і зовнішній поверхні мембрани, а потенціал дії визначається різницею іонів натрію на внутрішній і зовнішній поверхні мембрани. Звідси випливають міркування для вирішення завдань.
Завдання 1. Розрахувати амплітуду потенціалу дії м'яза людини при 30 о С, якщо відомо, що потенціал спокою визначається рівноважним калієвих потенціалом, а потенціал дії визначається рівноважним натрієвих потенціалом [К +] н = 5,9 ммоль / л; [До +] в = 147 ммоль / л; [Na +] н = 164 ммоль / л; [Na +] в = 17 ммоль / л. (Відповідь: 143 мВ).
Амплітуда (висота) потенціалу дії є сума між потенціалом спокою і потенціалом реверсії (формула 1). Потенціал реверсії залежить від співвідношення іонів натрію. тоді:
визначаємо значення потенціалу спокою
визначаємо значення потенціалу реверсії
знаходимо амплітуду потенціалу дії
φм ПП = - 8,31 · (273 + 30) / 96500 · 2,3 · Log (147 / 5,9) = - 0,084 В
φм рев = - 8,31 · (273 + 30) / 96500 · 2,3 · Log (17/164) = 0,059 В
φм ПД = | - 0,084 | +0,059 = 0,143 В = 143 мВ
Відповідь: 143 мВ (абсолютна величина)
Завдання 2. Розрахуйте амплітуду потенціалу дії, якщо концентрація калію і натрію всередині клітини нейрона відповідно: 125 ммоль / л, 1,5 ммоль / л, а зовні 2,5 ммоль / л і 125 ммоль / л. (Відповідь: 160 мВ).
Завдання 3. Обчислити величину потенціалу дії Нерона за даними розподілу основних електрогенних іонів. Обчисліть абсолютну величину амплітуди потенціалу дії нервової клітини, якщо через вестно, що розподіл іонів К + характери-зуется ставленням 1. 40, a Na + - 1. 8. Експериментальні визначення концентрації іонів проводилося при температурі 22 ° С. (Відповідь: 146 мВ)
Завдання 4. Розрахуйте амплітуду ПД, якщо концентрація калію і натрію всередині клітини нервової тканини відповідно 138 ммоль / л, 2,5 ммоль / л, а зовні 2,0 ммоль / л і 145 ммоль / л. Експериментальні визначення концентрації іонів проводилося при температурі 34 ° С.
Який транспорт іонів створює мембранну різницю потенціалів: пасивний або активний?
Що більше: швидкість поширення електричного сигналу по дротах морського телеграфу або швидкість поширення нервового імпульсу по мембрані аксона? Чому?
Як співвідносяться проникності мембрани аксона нервової клітини для різних іонів в спокої і при порушенні?
Що є деполярізуется подразником?