1 / 37

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ. ЛЕКЦИЯ 2 Потенциал покоя история вопроса современные представления. Гайдуков Александр Евгеньевич ФФМ МГУ 2010. ВВЕДЕНИЕ. Электрические явления - электрические поля и электрические (ионные токи), текущие через мембрану клетки,

steffi
Download Presentation

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ • ЛЕКЦИЯ 2 • Потенциал покоя • история вопроса • современные представления Гайдуков Александр Евгеньевич ФФМ МГУ 2010

  2. ВВЕДЕНИЕ 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. 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

  3. Отличия между электровозбудимыми и невозбудимыми клетками • 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) • 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

  4. 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) 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. Карло Маттеучи продолжил проверку гипотезу о существовании «животного электричества».

  5. Опыты по измерению «тока покоя» Эмиль Дюбуа-Реймон Регистрация электрического тока струнным гальванометром (1860-1880) «ток покоя» Между внутренней и наружной поверхностью клеток существует перепад напряжения. При введении одного электрода внутрь клетки наблюдается ток - ток покоя! индифферентный электрод мышечное волокно • 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?

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

  7. 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 Р– проницаемостьиона через мембрану,см/сек ΔV 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 – – – А- + + + К+А- К+ А- К+ К+ С1 К+ С2

  8. Электролитическаяячейка ΔVм =Ек равн Vм=0 С1 А- К+ + + + + – – – + + + А- Cl- 1 2 К+ М2 К+ К+ А- М1 ; Р · С1 · е-V/KT = Р·C2 М1 =Р · С1; М 2 = Р·С2 поток слевапоток справа направо налево ПРИ УСТАНОВИВШЕМСЯ ПОТЕНЦИАЛЕ V м потоки ионов калия ВЫРОВНЕНЫ М1 = М2 В ПЕРВЫЙ МОМЕНТ М1 ≠ М2 Величина потенциала рассчитывается по формуле Нернста

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

  10. 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.

  11. 2 Согласно теории Ю. Бернштейна, «клетка может быть уподоблена электролитической ячейке» 1 Камеры 1 и 2 разделены мембраной, проницаемой только для одного иона – иона калия К+ К+ Электролитическая ячейка: Две камеры с жесткими стенками, наполненные растворами электролитов, К+А- и К+Cl+ K+ K+ K А - Концентрация калия: CК+вн > CК+нар, Для мышечного волокна лягушки: z=1; при T=20C При переходеот натурального логарифма к десятичному 25 ·0,21 =58мВ реальный Vм= -90мВ

  12. Если выход ионов калия заряжает мембрану до Vм = ЕКравн , то изменяется ли при этом исходная концентрация иона в клетке? ΔQ = C ΔV Какое количество зарядов (ионов калия) должно оказаться на наружной поверхности клетки, чтобы зарядить ее до - 100мВ ? Клетка может быть уподобленашаровому конденсатору, поверхность которого - (мембрана) – способна разделять и накапливать заряды .Удельная емкость мембраны клетки С= 10-6фарад/см2 9 K+ ΔQ=10-6Ф·10-1В=10-7кулон/см2 Разделив ΔQ (10-7 кулон /см2) на число ФарадеяF=96500кулон/моль см2(~10 5) [А-] [К]вн [К+](моль)=10-7кулон/см2: 105 кулон/ моль·см2 = 10-12 моль = 10 - 9 мМ Вывод : при зарядке мембраны до0,1В концентрация калия в клетке (140 мМ) практически не меняется!

  13. Экспериментальные подтверждения мембранной теории Ю. Бернштейна ПП0,мВ -90 -80 В случае соли КCl 50 2,5 5 140 • Измерения МП мышечных волокон при разной температуре. Определение темпер. коэффициента Q10 • Измерения зависимости МП от [ К] нар – хорошо соответствует При 20оС Отклонение экспериментальной кривой от теоретической в области низких концентраций [К+] нар lg[К+] нар[K2SO4]! Чтобудет с ПП0 клетки, если мембрана клетки проницаема и к калию, и к хлору?

  14. Теория Бойля – Конвея (1941)(Доннановское равновесие)В 1911г. Фредерик Доннан провел опыты на электрохимической ячейке, мембрана которой проницаема к двум ионам и содержат разные растворы электролитов • В первый момент, когда в оба отсека налиты соответствующие растворы: • Возникает поток ионов Cl из 2-й в 1-ю камеру будет «тянуть» за собой и перемещение противо-ионов калия • некоторое количество – х - успеет перейти в соседнюю камеру, прежде чем установится мембранный потенциал Cl- Cl- K+ 2. В момент окончательного установления VM:потоки ионов калия и хлора выровнены тогда для потоков К+ тогда для потоков хлора отсюда условие Доннановского равновесия

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

  16. Теория Бойля-Конвея Роль калиевого и хлорного токов в создании и поддержании потенциала покоя Деполяризация при увеличении [к +]нар – постоянна! деполяризация Деполяризация при снижении [Cl-] снаружи -нестойкая, т.к. сопровождается входом ионов хлора, изменением его внутриклеточной концентрации, градиента Роль потоков калия и потоков хлора – не одинакова !! в удерживании постоянстваПП0 .

  17. 40-е годы XX века Модель мембраны, проницаемой к трем ионам – калию, хлору и НАТРИЮ ДАНО: ППо= - 80мВ ; Еравн Na = +30 мВ, а мембрана клетки пропускает ионы натрия !? 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 Вопрос: как же формируется и удерживается стабильный ППо порядка – 80мВ?

  18. Модель мембраны с тремя проникающими ионами Задача : количественно описать три тока – INa, IK, ICl текущие внутри мембраны при постоянном ППо как функцию: потенциалаVm, проницаемостиPi и перепада концентраций ионаΔСi (Vm) (мембранный потенциал) Ii =f( Pi )(проницаемость иона ) Δ(Ci)(перепад концентраций иона)

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

  20. Pi=U ·β ·RT Fх • Уравнение Нернста – Планка • Постулаты теории постоянного поля Д. Гольдмана (1943г.) • Движение иона в мембране - аналогично его движению в свободном растворе, аРi пропорциональна подвижности иона (U) в растворе • Напряжение электрического поля в мембране постоянно, и потому потенциал внутри мембраны распределяется линейно по ее длине: dV/dx=сonst Ii = диффузионный потокиона через мембрану поток иона, обусловленный электрическим полем внутри мембраны Разностный ток иона , dV/dх=сonst Если допустить, что: !!! Ii - разностный ток через мембрану, P – проницаемость иона,Ui –подвижность иона в мембране β – коэффициент распределения иона в мембране,[K+]0, [K+]i - концентрации иона снаружи и внутри клетки,β[K+]i – концентрация иона внутри мембраны; U – подвижность иона.

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

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

  23. Экспериментальная проверка уравнения Гольдмана–Ходжкина–Катца. аксон 1. Заменим весь NaCl на сахарозу, тогда вырождается в уравнение Нернста: , и измеряя VМ, узнаем [K+]в 2. Добавим в наружный раствор только ионы Na+ (Na2SO4 вместо сахарозы) тогда , разделив на РК, получаем: → α = PNa/PK 3. Добавим снаружи ионы Cl- (заменив Na2SO4 на NaCl) тогда , разделив на PK →β = PCl/PK , зная коэффициенты, получим Гигантский аксон кальмара - PK: PNa: PCl = 1 : 0,04 : 0,25 m. sartorius лягушки - PK: PNa: PCl = 1 : 0,01 : 2

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

  25. КЛЕТКА в терминахэквивалентной электрической схемы Мембрана клетки – изолятор между наружной и внутренней средой, имеющая проводимости для ионных токов Закон Ома I = V/R По закону Ома V~ЭДС I ток Для одного проникающего через мембрану иона

  26. ∆V = I g Пассивная проводимость мембраны – величина, пропорциональная току ,сдвигающему потенциал мембраны на величину ∆Vм ∆Vм = I м/gм Пассивная проводимость мембраны – постоянная величина. g = Iм/∆V I ток gутечки ++ ++ или пассивная проводимость мембраны -65 мВ -- -- Vм = ППо

  27. Эквивалентная электрическая схема мембраны с тремя проникающими ионами – K, Na, Cl gNa · (VM – ENa) = - gK · (VM – EK) Каналы пассивной ионной проводимости Равновесные потенциалы (ЭДС) Наружная среда Внутренняя среда клетки

  28. Каналы пассивной проводимости 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)

  29. 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=58 lgC1/C2=-90мВ ЕNa равн=58 lgC1/C2=+30мВ 4. В клетке должен существовать механизм для поддержания постоянстваконцентрационных градиентов NaиK и постоянстваПП0. !!!!! ВыкачиваниеNa+ и закачиваниеK+

  30. Mg2+-зависимая, Na+-, K+-активируемая аденозинтрифосфатаза (Na+/K+-АТФаза) обеспечивает перенос ионов Na и К против электрохимического градиента Jens Christian Skou (1957) The influence of some cationson an adenosine triphosphatase from peripheral nerves // Biochim. et. Biophys. Acta, 23, 394-401 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

  31. 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 стероидных О-гликозидов. Наиболее известным соединением этого ряда является оубаин.

  32. Модель работы Na/K–ATФазы Последовательное шлюзование ионов Один катионный центр с разным сродством к Na и K при разных конформациях фермента (E1 vs. E2) E1 + 3Na+ + ATФ 3Na+– E1 ~ P + АДФ E2 - P + 2К+ 2K+– E2 + P 2K++ E1

  33. Электрогенная функция Na/K–ATФазы При стехиометрии переноса  = 3/2 Работа насоса создает выходящий ток катионов (Na) ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИЯ МЕМБРАНЫ («электрогенность») МNa/МK = 3/2 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

  34. Если плотность тока(INaнасоса) =10-6А/см2 то каков может быть сдвиг мембранного потенциала(ΔVм) за счет этого тока? I. Гигантский аксон кальмара Rуд= 1 кОм·см2 ,INa- известен , тогда по закону Ома, сдвиг потенциала, создаваемый проходящим по«электрической цепи» клетки током: ΔV=INа·Rуд=10-6 А /см2·103 Ом·см2 =10-3в=1мВ II. Нейроны моллюсков большое входное сопротивление мембраны,Rуд= 20 кОм·см2 Cдвиг мембранного потенциала,создаваемый работой насоса -ΔVм = 20мВ !! • Фоторецепторы (палочки) ~25-30мВ • Тучные клетки ~20мВ • Нейроны ~10-25мВ • Гладкомышечные клетки артерий ~35-40мВ (!!!) При генерации ПД активность насоса повышается в ~2,5 – 25 раз – достаточно, чтобы укоротить ПД и создать следовую гиперполяризацию при его завершении

  35. 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 

  36. Эквивалентная электрическая схема мембраны

  37. Спасибо за внимание… Вопросы???

More Related