Мембранные потенциалы. Лекция (1)

1. Мембранные потенциалы Потенциал покоя Генерация потенциала действия

2. Мембранный потенциал

(также
трансмембранный
потенциал) - это
разность электрических
потенциалов между
внутренней и внешней
стороной
биологической мембраны

3. Уравнение Нерста-Планка Перенос ионов через мембрану

∆φ
- +
φ1 < φ2
Существует
трансмембранная
разность
потенциалов.

4. Причины наличия разности потенциалов

-
+
(покой)
1.Присутствие ионов
благодаря
большому
количеству воды.
2.Распределение концентраций ионов и
электрического заряда по обе стороны от
мембраны.

5.

6. Причины наличия разности потенциалов

10-15
<
15
<
20-40
>
Распределение
ионов для
живой,
здоровой
клетки
в состоянии
физиологического покоя.

7. Потенциал покоя - разность потенциалов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью в состоянии покоя.

8.

Таблица концентраций и потенциалов.
Параметры
клеточная
концентрация
Мм/л
Ионы Na+
K+
ClMg++
Ca++
Потенциал
покоя Δφ, мВ
Аксон
кальмара
Мышца
лягушки
Эритроцит
человека
i
e
i
e
i
e
78
392
104
11
0,4
462
22
286
56
11
13
138
3
16
30
108
2,5
120
1
2
19
136
78
6
-
155
5
100
1
2,5
-60
-90
-6…-9

9. Причины образования потенциала покоя

1.
2.
Наличие градиентов концентрации
ионов Na+, K+, Cl-, анионов белков и
крупных анионов неорганических
соединений.
Различная проницаемость мембраны
для ионов Na+, K+, Cl-; неравные
потоки этих ионов через мембрану.
Р(K+): Р(Na+): Р(Cl-)=1:0,04:0,45

10. Причины образования потенциала покоя

3.
4.
Пассивный транспорт, активный
перенос Na+ и K+ через мембрану в
состоянии покоя.
Равенство нулю суммарного потока
ионов Na+, K+ и Cl- (условие
стационарности).

11. Причины образования потенциала покоя

5.
Поток
каждого из
ионов Na+,
K+ и Cl- в
состоянии
покоя через
мембрану
отличен от
нуля.

12. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца

R=8,31Дж/моль∙К – универсальная газовая
постоянная,
Т – термодинамическая температура,
F=9,65∙104 Кл/моль – постоянная Фарадея,
Р – проницаемость мембраны для иона,

13.

[]i, []e – значение концентрации ионов
соответственно внутри и вне клетки.
RT – термодинамическая энергия (работа по
перемещению заряда),
F – заряд в объёме один моль.
Если равновесное состояние концентраций
ионов по обе стороны мембраны
нарушается, то включается активный
транспорт, восстанавливается нормальная
концентрация ионов.

14. Уравнение Нерста

Позволяет оценить равновесный
мембранный потенциал, учитывая только
значения концентрации ионов калия.

15.

16. Потенциал действия

На действие раздражителя следует
изменение мембранного потенциала
вплоть до ее поляризации, после чего
наступает специфическая ответная
реакция возбудимых тканей (нервная
ткань проводит импульс, железистая
генерирует секрет, мышечная
сокращается).

17. Потенциал действия -

спонтанное изменение полярности мембранного
потенциала клетки.

18. Дендритный потенциал действия

1.
2.
3.
Локальным изменением мембранного
потенциала свыше порогового значения;
Действием специфических раздражителей
на мембрану рецепторов клетки:
химических веществ, квантов света,
температуры;
Механическим повреждением мембраны.

19. Возникновение потенциала действия обусловлено действием следующих факторов:

20.

21. График генерации потенциала действия

1- фаза потенциала покоя.

22. Фазы генерации потенциала действия

2 - Латентная фаза – под
воздействием
раздражителя
открывается часть
каналов для ионов натрия.
Натрий медленно
заполняет клетку.
Изменяется уровень
мембранного потенциала,
если он достигает
критического уровня
деполяризации, наступает
фаза деполяризации.

23. Фазы генерации потенциала действия

24.

3 - Фаза
деполяризации
Открывается
максимальное
количество
каналов для
ионов натрия,
натрий
устремляется в
клетку.

25. Фазы генерации потенциала действия

Деполяризация
переходит за
нулевую линию и
мембранный
потенциал
становится
положительным.

26. Фазы генерации потенциала действия

Вследствие открытия натриевых каналов
изменяется соотношение проницаемости
мембраны для ионов калия, натрия и
хлора.
Р(K+): Р(Na+): Р(Cl-)=1:20:0,45
В покое
В фазу
деполяризации
Р(Na)
0.04
P(K)
1
P(Cl)
0.45
20
1
0.45

27.

4 – Фаза реполяризации
Открываются каналы для
калия и происходит
перенос ионов калия из
клетки. Происходит
восстановление
полярности мембраной
разности потенциалов.

28. Фазы генерации потенциала действия

5 - Фаза
гиперполяризации.
Калий продолжает
выход из клетки,
мембранная
разность потенциалов
по модулю принимает
значения больше
потенциала покоя.

29. Фазы генерации потенциала действия

В фазу
гиперполяризации
происходит
восстановление
мембранного
потенциала до
исходного уровня за
счет работы калиевонатриевого насоса.

30. Фазы генерации потенциала действия

это перенос веществ через мембрану в
направлении больших концентраций
противоположно действию электрических
сил.
Необходимы затраты свободной энергии,
выделяющейся в ходе окислительновосстановительных реакций или при
гидролизе АТФ

31. Активный транспорт -

Калий-натриевый насос работает
сопряжённо: активного транспорта ионов
Na+ нет, если во внешней среде нет ионов
K+ и наоборот.
Насос
переносит из
клетки во
внешнюю среду 3
иона Na+ в обмен
на перенос 2
ионов K+

32. Калий-натриевый насос

33.

34. Схематичное изображение идеализированного потенциала действия

Форма
реального
потенциала
действия
обычно
отличается от
идеализированной.

35. Реальный потенциал действия пирамидного нейрона гиппокампа крысы.

Генерация
потенциала
действия
происходит под
действием
пороговых
и надпороговых
раздражителей.

36. Условия генерации потенциала действия

Во время
латентной фазы
достигается
критический
уровень
деполяризации,
происходит запуск
фазы
деполяризации.

37. Условия генерации потенциала действия

Если действует
подпороговый
раздражитель, то
критический
уровень
поляризации не
достигается.
Происходит
кратковременное
изменение
мембранного
потенциала,
восстановление
его значения за
счёт активного
транспорта

38. Условия генерации потенциала действия

ПД=|ПП|+МП
φ
МП
0
ПП
t
Значение потенциала
действия
определяется
суммой модуля
значения потенциала
покоя и мембранного
потенциала,
соответствующего
возбуждению.

39. Значение потенциала действия

Крупные миелинизированные аксоны
двигательных нейронов - 2-3 мс
Скелетные мышечные волокона - 3-4 мс
Гладкомышечные клетки – 10-30 мс
Кардиомиоциты (мышечные клетки сердца)
- 300-400 мс

40. Время генерации ПД

41.

В возбудимых биологических тканях
локально возникший потенциал
действия может распространяться
вдоль мембран клеток или других
клеточных образований.

42. Распространение потенциала действия

43. Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам

44.

В состоянии покоя внешняя
поверхность клеточной мембраны
имеет положительный потенциал, а
внутренняя – отрицательный. В
момент возбуждения полярность
мембраны изменяется на
противоположную.

45. Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам

Между
возбуждённым и
невозбуждённым
участками
возникает
разность
потенциалов,
появляются
локальные токи.

46. Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам

Локальный ток
оказывает
раздражающее
действие на
соседние
невозбуждённые
клетки и вызывает
генерацию
потенциала
действия.

47. Распространение потенциала действия по безмякотным нервным волокнам

48. Распространение потенциала действия по аксону

49. Распространение потенциала действия по миелиновым волокнам

50.

Диффузия ионов через миелиновую оболочку
не возможна. В мякотном нервном волокне
генерация потенциала действия
сосредоточена там, где миелиновая оболочка
отсутствует (перехват Ранвье).
От перехвата к
перехвату нервные
импульсы
передаются за счёт
локальных токов.

51. Распространение потенциала действия по миелиновым волокнам

Вследствие большой
протяжённости участков
аксона между соседними
перехватами
проведение нервного
импульса происходит
скачками, поэтому
называется
сальтаторным.
Такое проведение обеспечивает экономию
энергии.

52. Распространение потенциала действия по миелиновым волокнам

для миелиновых
волокон
для безмякотных
волокон

53. Скорость распространения возбуждения по нервным волокнам

Тип волокна
Диаметр
волокна
Скорость
распространения
ПД
Безмякотное
~650 мкм
0,5-2 мкм
20-25 м/с
0,5-3 м/с
Миелинизированное
1-4 мкм
12-22 мкм
8-12 мкм
4-8 мкм
0,5-3 м/с
70-120 м/с
40-70 м/с
15-40 м/с