Презентация на тему "Потенциал покоя"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ Гайдуков Александр Евгеньевич МУК МГУ 2013 ЛЕКЦИЯ 3 Потенциал покоя история вопроса современные представления muk.physiolog@mail.ru

• 
  Слайд 2
  

  Электрические явления - электрические поля и электрические (ионные токи), текущие через мембрану клетки, свойственны всем живым клеткам (!!!) Поверхностная мембрана всех живых клеток обладает фундаментальным свойством - способна разделять и накапливать электрические заряды (–) отрицательные - внутри, положительные (+) - снаружи. ВВЕДЕНИЕ Наличие постоянного перепада электрического поля между внутренней и наружной средой клетки носит название потенциала покоя (ППо) . ППо - основополагающее свойство л ю б о й клетки, как возбудимой, так и невозбудимой

• 
  Слайд 3
  

  Возбудимыми называются клетки, у которых ионная проницаемость поверхностной мембраны изменяется при изменениях электрического потенциала на мембране Возбудимыми называются клетки, обладающие способностью в ответ на деполяризующее действие электрического тока генерировать особый тип потенциала, т.н. потенциал действия (ПД) Отличия между электровозбудимыми и невозбудимыми клетками Возбудимые клетки: Нейроны Мышечные клетки (все типы) Нейросекреторные клетки (гипофиз, надпочечники) Рецепторные клетки (сетчатка, волосковые клетки, механочувствительные клетки) Невозбудимые клетки: Клетки печени Клетки почeк Глиальные клетки Клетки крови и др. Потенциал действия (ПД) возникает на основе предсуществующего у клетки ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

• 
  Слайд 4
  

  Луиджи Гальвани (XVIII век) В 1780 году Гальвани обнаружил, что если к туловищу лягушки приложить железную пластинку, а к лапке - медную, и затем пластинки соединить, то мышцы лапки будут сокращаться. Гальвани трактовал этот факт как доказательство наличия "животного электричества", предположив, что мышца заряжена отрицательно по сравнению с нервом, и в цепинерв-металл-мышца-нерв возникает электрический ток. 1-й этап научного исследования биопотенциалов Луиджи Гальвани(1791) «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius) Карло Маттеучи (опыты в 1830-1865) Карло Маттеучи продолжил проверку гипотезу о существовании «животного электричества».

• 
  Слайд 5
  

  Лягушачьи лапки – это не только еда 1791 год, Болонья Лапка лягушки Лейденская банка нерв «Лапка лягушки – это живая Лейденская банка, электрический конденсатор животного электричества!!» Л. Гальвани:

• 
  Слайд 6
  
• 
  Слайд 7
  

  Железо Медь Алессандро Вольта «DeViribusElectricatitisinMotuMusculariCommentarius»1791 Спор между Л.Гальвани и А.Вольта В лапке нет никакого электричества! Электричество – в самом пинцете! Почему же сокращается лапка ????? Конец 18-го века Сокращение «Мышца – накопитель электричества, а нерв- его проводник!!» + - Лапка раздражается внешним электричеством существующим в паре разнородных металлов !! Из-за разряда электричества которое накоплено в мышце! ЛуиджиГальвани

• 
  Слайд 8
  

  Опыты по измерению «тока покоя» Эмиль Дюбуа-Реймон Регистрация электрического тока струнным гальванометром (1860-1880) «ток покоя» индифферентный электрод Вопрос: Как объяснить наличие пространственного разделения электрических зарядов - сосредоточения положительных зарядов снаружи клеток, а отрицательных – внутри, т.е. наличие электрического потенциала между наружной и внутренней поверхностью клеток? мышечное волокно Между внутренней и наружной поверхностью клеток существует перепад напряжения. При введении одного электрода внутрь клетки наблюдается ток - ток покоя! Да, клетка (ее мембрана) - электрический конденсатор, но в чем причина ? И что происходит при возбуждении клетки ?

• 
  Слайд 9
  

  Диффузионный потенциал Диффузия заряженных частиц – противо-ионов происходит с разной скоростью, в соответствии с их подвижностью в растворе электролита С1 С2 Вальтер Нернст ввел понятие «диффузионный потенциал». Возникает в растворе электролита при диффузии анионов и катионов соли Анионы Катионы U - подвижность иона cм/сек : В/см = см2/ В·cек Соль А- К+ Фронт анионов

• 
  Слайд 10
  

  Вильгельм ОСТВАЛЬД Вводит понятие «электролитическая ячейка» для сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной В соседние отсеки (ячейки) 1 и 2 налиты растворы электролита К+А- разной концентрации – С1 и С2 Ячейки отделены друг от друга ПОЛУПРОНИЦАЕМОЙ МЕМБРАНОЙ К+А- К+ А- К+ К+ Р– проницаемостьиона через мембрану,см/сек РК > 0 PА= 0 Концентрации катиона К+между ячейками 1 и 2 не выравниваются ! т.к. на мембране возникает трансмембранный потенциал!, - разновидность диффузионного потенциала, вычисляемого по формуле Нернста, когда «подвижность» одного из противо-ионов равна нулю! Ячейка 1 Ячейка 2 С1 + + + – – – С2 ΔV А- К+

• 
  Слайд 11
  

  М1 =Р · С1; М 2 = Р·С2 поток слевапоток справа направо налево К+ + + + + А- Электролитическая ячейка К+ А- Cl- М2 М1 – – – В ПЕРВЫЙ МОМЕНТ М1 ≠ М2 ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ПОТЕНЦИАЛЕ V м потоки ионов калия ВЫРАВНЕНЫ М1 = М2 К+ + + + А- ΔVм =Ек равн Величина потенциала рассчитывается по формуле Нернста С1 1 2 Vм=0 К+ ; Р · С1 · е-V/KT = Р·C2 С2 … прологарифмировав, получаем Доля ионов, способных преодолеть энергетический барьер из-за потенциала на мембране

• 
  Слайд 12
  

  Концентрация ионов внутри клетки и в наружной среде Конец XIX – Начало XX века опыты по определению - содержания калия в клетке, - движению воды из или внутрь клетки

• 
  Слайд 13
  

  Юлиус Бернштейн – 1902-1912 гг., Берлин - на основании данных физ.химии (работы Нернста, Оствальда) используя данные о высокой концентрации К+ в клетке используя данные о свободном движении воды через мембрану и возможном существовании электролитов в клетке формулирует «Мембранную теорию» происхождения «потенциала покоя» 1. Система – “Клетка – Наружная среда” может быть уподоблена электролитической ячейке Оствальда, разделенной полупроницаемой мембраной 2. В клетке высока концентрация ионов калия К+ (140-150 ммоль) и А- -органических анионов. В наружной среде концентрация К+ мала – 4-5 ммоль . 3. Ионы калия проникают через мембрану, а их противо-ионы - органические анионы (А-) – не проникают. 4. В таком случае на мембране устанавливается потенциал, выравнивающий потоки ионов калия. ПП0= Екравн - равновесный потенциал для потоков ионов калия.

• 
  Слайд 14
  

  Людвиг Германн Альтерационная теория Все это - жизненная сила! У КЛЕТКИ - избирательная проницаемость к КАЛИЮ и калия очень много в клетке, поэтому… - + + + + + + - - А- А- А- К + + + + + + + А- А- А- А- К+ К+ К+ ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - Иоганнес Мюллер Юлиус Бернштейн - - - Na Na Na Na Na K+ 1901-1911 Мембранная теория - - + + + + - К К+ - К+ К+ К+ К+ К+ - - - - А- А- А- А- К К насос

• 
  Слайд 15
  

  Концентрация калия: CК+вн > CК+нар, Для мышечного волокна лягушки: z=1; при T=20C При переходеот натурального логарифма к десятичному 25 ·2,3845 ≈ - 58мВ реальный Vм= -90мВ Электролитическая ячейка: Две камеры с жесткими стенками, наполненные растворами электролитов, К+А- и К+Cl- 1 2 К+ K+ K+ Камеры 1 и 2 разделены мембраной, проницаемой только для одного иона – иона калия Согласно теории Ю. Бернштейна, «клетка может быть уподоблена электролитической ячейке» K К+ А -

• 
  Слайд 16
  
• 
  Слайд 17
  

  Экспериментальные подтверждения мембранной теории Ю. Бернштейна Отклонение экспериментальной кривой от теоретической в области низких концентраций [К+] нар lg[К+] нар[K2SO4]! ПП0,мВ -90 -80 2,5 5 140 50 В случае соли КCl Чтобудет с ПП0клетки, если мембрана клетки проницаема и к калию, и к хлору? Измерения МП мышечных волокон при разной температуре. Определение темпер. коэффициента Q10 ~ 1,03-1,3 Измерения зависимости МП от [ К] нар – хорошо соответствует При 20оС Косвенное подтверждение диффузионной, а не метаболической природы ПП Юлиус, все пропало!!! (она не работает???)

• 
  Слайд 18
  

  К+ К+ Cl- Cl- – Сохраняется основная идея Бернштейна о том, что ППо - РАВНОВЕСНЫЙ потенциал для проницаемых ионов. ППо=ЕравнК= ЕравнCl 2. В отличие от потока калия наружу, движение хлора внутрь клетки сопровождается изменениями концентраций ионов в клетке. Следствия из наличия у мембраны проницаемости к двум ионам: к калию, и к хлору ΔVm= ВнутриСнаружи

• 
  Слайд 19
  

  Модель мембраны, проницаемой к трем ионам – калию, хлору и НАТРИЮ Если мембрана клетки проницаема и к натрию, то потенциал покоя не может быть равновесным для трансмембранных потоков ионов натрия и других проникающих ионов – калия и хлора ППо≠ Еравн К≠ЕравнCl≠Еравн Na Еравн Na = +30 мВ, а мембрана клетки пропускает ионы натрия !? ППо= - 80мВ ; ДАНО: Вопрос: как же формируется и удерживается стабильный ППо порядка – 80мВ? 40-е годы XX века

• 
  Слайд 20
  

  Vм В результате формируется - стационарный потенциал покоя при котором разностные токи калия, натрия и хлора в сумме равны нулю. Через мембрану текут три противоположно направленных ионных тока - калия, натрия, хлора. Каждый из токов участвует в создании потенциала на мембране Внутри клетки Модель электролитической ячейки, проницаемой к трем ионам В первый момент

• 
  Слайд 21
  

  Модель мембраны с тремя проникающими ионами Уравнение Голдмана – Ходжкина – Катца «В момент установления VМ ионные потоки K+, Cl-, Na+остаютсяневыравненными». Но!Их алгебраическая сумма равна нулю!!! Решаем для VM, и прологарифмировав, получаем: РК+> 0;РCl-> 0;РNa+> 0; Но! РА=0 и камеры – проточные. Уравнение разностного тока для токов натрия, калия и хлора

• 
  Слайд 22
  

  Как соотносятся величины проницаемостей РKPNaPCl между собой при потенциале покоя? ППо = -70 - -100мВ ВОПРОС: МОДЕЛЬ МЕМБРАНЫ С ТРЕМЯ ПРОНИКАЮЩИМИ ИОНАМИ Уравнение Голдмана-Ходжкина-Катца

• 
  Слайд 23
  

  Модель мембраны с тремя проникающими ионами Уравнение Гольдмана- Ходжкина – Катца ПроницаемостьР(см/сек) и Проводимостьg(сименс) иона через мембрану Пассивная проницаемость иона – Рi (см/сек) обусловлена физическими свойствами канала утечки, НЕ зависит отVм Проводимость g– показатель ионного тока, текущего через мембрану при Vm≠ Е равн Зависит от Р и концентрации ионов

• 
  Слайд 24
  

  В нейронах и других клетках обнаружены и выделены белковые молекулы, функционирующие как каналы пассивной проницаемости для: Ионов калия (~15 подтипов) - димеры Ионов хлора Для ионов Na+специальных каналов утечки не найдено ! Свойства каналов утечки: Канал обладает избирательной проницаемостью к определенному виду ионов (только калия или только хлора) Канал находится в открытом состоянии ПОСТОЯННО, не зависимо от потенциала на мембране! Нет ворот!!! Каналы пассивной проницаемости обусловливают движение ионных токов через мембрану и сдвигов ПП в отсутствии ПД (электротон и т.п. подпороговые сдвиги МП) Каналы пассивной ионной проводимости

• 
  Слайд 25
  

  Каналы пассивной ионной проводимости способны реагировать на различные воздействия

• 
  Слайд 26
  

  1. В состоянии ПОКОЯ мембрана клетки проницаема к трем видам ионов – ккалию, натрию,хлору. 2.Потенциал покоя (ПП0) клетки – стабильная величина. ПП0не является равновесным потенциалом ни для суммарных потоков ионов калия, ни для суммарных потоков ионов натрия. 3. В состоянии покоя через мембрану клетки текут пассивные ионные токи - ток калия IK+ - наружу,ток натрия INa+– внутрь клетки. ПП0=-80 мВ Екравн=58lgCout/Cin=-90мВ ЕNa равн=58lgCout/Cin=+30мВ 4. В клетке должен существовать механизм для поддержания постоянстваконцентрационных градиентов NaиK и постоянстваПП0. !!!!! ВыкачиваниеNa+ и закачиваниеK+

• 
  Слайд 27
  

  Mg2+-зависимая, Na+-, K+-активируемая аденозинтрифосфатаза (Na+/K+-АТФаза) Jens Christian Skou (1957) The influence of some cationson an adenosine triphosphatase from peripheral nerves // Biochim. et. Biophys. Acta, 23, 394-401 обеспечивает перенос ионов Na и К против электрохимического градиента ATP ADP – каталитическая (10 ТМ-доменов M1 - M10),~ 100 кДа (4 изоформы) – регуляторная, ~ 45кДа (3 изоформы) + -субъединица - регуляторная, ~ 10 кДа, относится к группе FXYD-белков

• 
  Слайд 28
  

  Каталитическая активность Na/K–ATФазы высокоизбирательно ингибируется сердечными гликозидами В 1785 году Визеринг сообщил об использовании листьев наперстянки для лечения сердечной недостаточности. Действующим началом являлся дигитоксин, соединение, относящееся к сердечным гликозидам – группе стероидныхО-гликозидов. Наиболее известным соединением этого ряда является оубаин.

• 
  Слайд 29
  
• 
  Слайд 30
  

  Электрогенная функция Na/K–ATФазы МNa/МK = 3/2 При стехиометрии переноса  = 3/2 Работа насоса создает выходящий ток катионов (Na) ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИЯ МЕМБРАНЫ («электрогенность») Скорость работы насоса : ~150-600 Na+/сек Факторы, влияющие на величину дополнительной гиперполяризации(за счет электрогенной компоненты работы насоса): Плотность молекул насоса на мембране Интенсивность работы насоса (по сравнению с другими токами через мембрану) Входное сопротивление мембраны клетки Величина ПП0 Рассчитывая число выносимых зарядов (+) каждой молекулой, среднюю плотностьмолекул насоса на мембране (нейрона или аксона), вычислили плотность электрического тока, создаваемого работой насоса~1 мкА/см2

• 
  Слайд 31
  

  Наличие наряду с пассивными токами калия и натрия (РKи РNa) еще и активных потоков (за счет работы насоса) –вклад которых оценивается через стехиометрический коэффициент – реально влияет на конечную величину - СУММАРНОГО потока калия и СУММАРНОГО потока натрия, а значит – и суммарной проницаемости - P’Naи P’K В таком случае наиболее полноеи корректное математическое написание Vм должно включать коэффициент 

• 
  Слайд 32
  

  К+ К+ ИТАК, клетка заряжена в ПОКОЕ («прибор включен»), но что же тогда такое ВОЗБУЖДЕНИЕ??? при возбуждении клетка ТЕРЯЕТ избирательную проницаемость? что приводит к разрядке конденсатора?? Na Na Na Na Na Na Na Са Са Са НЕВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА ВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА Cl- - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + К+ К+ К+ К+ К+ А- А- А- А- МП=- 90 мВ К+ К+ Na К+ Na Na Это приводит к исчезновению потенциала на мембране Г И П О Т Е З А : Na/K насос МП=- 90 мВ → 0 мВ

• 
  Слайд 33
  

  Спасибо за внимание… Вопросы???