Физиология и биофизика возбудимых тканей

1. Физиология и биофизика возбудимых тканей. Введение в предмет “Нормальная физиология, физиология челюстно-лицевой области”

Лекция №1
Для стоматологического факультета ПИМУ
Кафедра нормальной физиологии им. Н.Ю.Беленкова
доцент Продиус Петр Анатольевич
2022 г.

2. План лекции

• 1. Предмет, задачи и методы исследований
нормальной физиологии человека
• 2. Понятие о возбудимых тканях и их
свойства
• 3. Современные представления о строении
клеточной мембраны
• 4. Мембранный потенциал и его
происхождение
• 5. Потенциал действия, его фазы и их
происхождение.

3. Физиология как научная дисциплина

Физиология (греч. physis – природа, logos - учение)
– наука, изучающая процессы жизнедеятельности и
механизмы их регулирования в различных
биологических системах: клетки – ткани – органы –
системы органов – организм.
Предметом являются функции и свойства живого
организма,
их
связи
между
собой
(функциональные
связи),
природа
(физиологические механизмы) и регуляция
процессов жизнедеятельности (физиологических
процессов), а также приспособление к изменениям
во внутренней и внешней среде.

4. Живой организм как открытая биосистема

Система – совокупность элементов имеющих
между собой связи.
Биосистема – совокупность живых клеток,
тканей
и
органов
постоянно
взаимодействующих с внешней средой и
осуществляющих с ней обмен веществ, энергии
и информации.
Живые
организмы
более
активно
взаимодействуют с внешней средой чем
объекты неживой природы

5. Основные понятия в физиологии возбудимых тканей

Раздражимость – способность живой материи активно
отвечать на воздействие внешней и внутренней среды
изменением обменных процессов.
Раздражитель – это изменение внешней или
внутренней среды организма, воспринимаемое клетками
и вызывающее ответную реакцию.
Возбудимость - способность ткани отвечать на
раздражение быстрым колебанием мембранного
потенциала, т.е. генерацией потенциала действия (ПД).
Возбуждение
–
процесс,
характеризующийся
изменением обмена клетки в ответ на раздражение в
виде генерации ПД.

6. Ток покоя (повреждения)

1 – нервно-мышечный препарат (нерв желтый, мышца
красный
цвет),
2
–
поврежденный
участок
мышцы, 3 – неповрежденный
участок мышцы.
Открыт во втором
опыте Гальвани
–
при
набрасывании
нерва
на
поврежденный и
неповрежденный
участок
мышцы
наблюдали
мышечное
сокращение.

7. Ток действия

1 – 1 нервномышечный препарат,
2 – 2 нервномышечный
препарат,
3 – источник
тока.
Открыт в опыте Маттеуччи ( вторичный
тетанус) – при раздражении током нерва
первого
нервно-мышечнго
препарата
наблюдали сокращение мышцы у первого и
второго препаратов.

8.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ПРИРОДЫ БИОТОКОВ
В 1848 году Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон,
используя струнный гальванометр, показал, что
поврежденный
участок
мышцы
несет
отрицательный заряд, а неповрежденный
участок— положительный.

9.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ПРИРОДЫ БИОТОКОВ
Бернштейн - Мембранная теория (1902 г.)
1. Наружная,
и
внутренняя
среды
клетки
представляют
собой
сильно
разбавленные
растворы электролитов. Причем ионов калия в
клетке значительно больше чем снаружи.
2. Мембрана клетки проницаема только для катионов
К+ и непроницаема для органических анионов.
3. Равновесный мембранный потенциал для любого
иона может быть рассчитан с помощью уравнения
Нернста где R — универсальная газовая
постоянная; Т — температура (в кельвинах); F —
число Фарадея; Z — заряд иона; [СД и [С2] —
концентрации иона внутри и снаружи клетки.
4. Бернштейн предсказал величины потенциала покоя
клеток порядка Vm = -75 мВ.

10.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ПРИРОДЫ
БИОТОКОВ
Ходжкин, Хаксли, Катц. Мембранно–ионная
теория. Нобелевская премия в 1963 году.
Экспериментально доказали происхождение
биотоков покоя и действия.
Потенциал покоя и потенциал действия
является по своей природе мембранными
потенциалами,
обусловленными
полупроницаемыми
свойствами
клеточной
мембраны и неравномерным распределением
ионов между клеткой и средой, которое
поддерживается
механизмами
активного
транспорта,
локализованные
в
самой
мембране.

11.

БИОТОКИ ПОКОЯ
Ток покоя (ток повреждения) – ток
между
поврежденным
и
поврежденным участком ткани.
Мембранный потенциал покоя (МПП) –
разность
потенциалов
между
наружной и внутренней сторонами
мембраны.

12. Строение мембраны

Основу мембраны составляет двойной молекулярный
слой липидов
(липидный бислой) на котором и в
толще которого находятся белки.

13. Избирательная проницаемость клеточной мембраны

Обмен
веществ
через
мембрану
клетки
осуществляется
через
липидный
бислой
или
транспортные белки с помощью процессов диффузии,
осмоса, активного и везикулярного транспорта.
Простая диффузия – пассивное движение частиц из
области высокой концентрации в область низкой
концентрации.
Жирорастворимые
вещества
диффундируют через липидный бислой (этанол, СО2),
водорастворимые через водные каналы (ионы К+, Na+).
Ионные
каналы
делятся
на
управляемые
и
неуправляемые.
Осмос – пассивное движение воды из области с низкой
концентрацией веществ в область с высокой
концентрацией веществ.

14.

Облегченная диффузия –пассивный перенос
веществ с помощью специальных белковпереносчиков по концентрационному градиенту
(белок-переносчик инсулинзависимая пермиаза
для глюкозы).
Активный транспорт - перенос веществ
против
градиента
концентрации
с
использованием энергии АТФ. Обеспечивается
белковыми
комплексами
(насосами
или
помпами) с использованием энергии АТФ (Na, K
– АТФаза).
Везикулярный транспорт – энергозависимый
процесс поступления в клетку (эндоцитоз) и
выделения
из
клетки
(экзоцитоз)
высокомолекулярных веществ и частиц.

15. ПРИРОДА МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Мембранный потенциал покоя возникает благодаря
направленному движению заряженных частиц.
Основная часть МПП возникает благодаря диффузии
ионов К+ через мембрану клетки из внутриклеточной
среды во внеклеточную.
Поддержание трансмембранного потенциала
(МПП) предопределено:
1. Концентрационным и электрическим градиентом
для ионов K+, Na+, Cl-;
2. Избирательно высокой проницаемостью мембраны
для К+;
3. Наличием активного транспорта (Nа+,К+- насоса) в
мембране.

16.

Концентрационный градиент для ионов K+, Na+, Cl-

17. 2. Высокая избирательная проницаемость мембраны для ионов К+, Na+, Cl-

2. Высокая избирательная проницаемость
мембраны для ионов К+, Na+, ClВ изолированном гигантском аксоне кальмара
проницаемость для ионов составляет:
K+ - Na+ - Cl1 : 0,04 : 0,45
Селективность каналов обусловлена тем, что
каждый канал имеет:
• устье,
• селективный фильтр,
• воротной механизм (gate).

18.

Ионный канал
Ионный канал - это крупный белок, образующий
центральную водную пору, которая сообщает
наружную и внутреннюю среду клетки.
Канал имеет наружное устье, обращенное в
сторону межклеточной среды, и внутреннее,
которое обращено в сторону цитоплазмы.
Кроме этого канал имеет ворота - специальный
участок,
который
может
конформационно
меняться и перекрывать водную пору. При
помощи этого воротного механизма канал может
открываться и закрываться.
Различают управляемые и неуправляемые
ионные каналы.

19.

Ионный канал

20. Методы регистрации МПП

Обнаружить биотоки
покоя можно с
помощью второго
опыта Гальвани
Для измерения
потенциала покоя
используют
микроэлектродную
технику.

21.

• Методы регистрации потенциала действия(опыт
Хожкина и Хаксли на аксоне кольмара)
Потенциал действия – быстрое колебание
мембранного потенциала

22.

График потенциала действия
Е0 – Мембранный потенциал покоя(МПП), ЕкрКритический уровень деполяризации, 0. Фаза медленной
деполяризации, 1. Фаза быстрой деполяризации, 2. Фаза
реполяризации, 3. Фаза следовой деполяризации, 4. Фаза
следовой гиперполяризации

23. Как меняется заряд мембраны

• Фаза быстрой деполяризации
Уменьшение отрицательного заряда с -50 до нуля, смена
заряда мембраны и небольшое увеличение до +20-30 Мв
• Фаза реполяризации
Восстановление знака и величины заряда до -50 Мв (уровня
Екр)
• Фаза следовой деполяризации
Восстановление знака и величины заряда до -70 Мв(уровня
Е0)
• Фаза следовой гиперполяризации
Увеличение заряда с -70 до -90 Мв

24. Механизм изменения заряда в фазу быстрой деполяризацией

Деполяризация
за
счет
действия
раздражителя,
достигшая
уровня
КУД,
открывает быстрые m-ворота в потенциалзависимых
Na-каналах
и
увеличивает
проницаемость
Na+-в
500
раз.
По
электрохимическому
и концентрационному
градиенту положительно заряженные ионы
устремляются
внутрь
клетки.
После
перезарядки мембраны наблюдается закрытие
в них медленных h-ворот (инактивационных)
вход Na прекращается.

25. Механизм изменения заряда в фазу реполяризации

Открытие потенциал-зависимых каналов для
ионов К+ и инактивация Na+- увеличивает
проницаемость для К+. ионов К+ выходят из
клетки восстанавливая заряд мембраны.
В эту фазу открываются h-ворота и
закрываются m-ворота потенциал-зависимых
Na-каналов.

26. Изменение проводимости мембраны для ионов Na+ и K+ во время возбуждения