Лекции по "Биофизике"

Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ  через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением:

dm/dt = - PS (C₁ – C₂)     (3), где Р = D/ d

где C₁ и C₂ — концентрации вещества по разные стороны мембраны; Р — коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии, d – толщина мембраны. В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, Р зависит еще и от свойств мембраны и от ее функционального состояния.

73. Простая и облегченная диффузия.

Диффузия—это самопроизвольный процесс проникновения вещества из области большей в область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.

Различают несколько  типов пассивного переноса веществ (диффузии):

1. простая диффузия.
2. перенос через поры.
3. транспорт с помощью переносчиков (подвижных и эстафетной передачи).

Простая диффузия выражается соотношением (уравнение Фика):

                              J = (dm/dt) / S = -D (dС/dx) , где j -плотность потока вещества, (dС/dx) - градиент концентрации, D - коэффициент диффузии. Это уравнение даёт возможность рассчитать количество вещества (m) попавшее в клетку за определённое время (t) и через известную площадь (S): m = j t S.

Последние два вида диффузии относят к облегченной, т.к. количество вещества переносимое при таком  виде транспорта существенно больше.

Если  молекулы диффундирующего вещества движутся без образования комплекса с другими молекулами, то такая диффузия называется простой.

Облегченная диффузия состоит в том, что вещество слабо диффундирующее через мембрану, транспортируется через нее с помощью подвижных или фиксированных в мембране переносчиков. Разновидностью облегченной диффузии является обменная диффузия, которая состоит в том, что вспомогательное вещество образует соединение с диффундирующим веществом и перемещается к другой поверхности мембраны. На другой поверхности мембраны молекула проникающего вещества освобождается и на ее место присоединяется  другая молекула такого же вещества. Например, установлено, что натрий эритроцитов благодаря обменной диффузии быстро обменивается на натрий плазмы.

74. Электродиффузия. Уравнение Нернста – Планка.

Поскольку в диффузии участвуют не только нейтральные  вещества, но и ионы разной полярности, Нернст и Планк предложили формулу:

Ф = -uRT (dc/dx) - cuz F (dj/dx)

где: u = D/RT (называется подвижностью молекул)

R - универсальная газовая постоянная;

T - абсолютная температура;

с - концентрация вещества;

z - валентность;

F - число Фарадея;

(dc/dx), (dj/dx) - градиент концентрации и градиент потенциала (то же, что электрическая напряжённость).

Это уравнение выведено из уравнения Теорелла: Ф = -cu (dm/dx), где m - электрохимический потенциал.

75. Активный транспорт веществ через мембрану. Понятие о натрий – калиевом насосе.

Активный транспорт (в  отличие от пассивного - осуществляется  против градиента концентрации проходящих веществ, т.е. в сторону больших их концентраций). Следующая особенность - транспортируются вещества только за счёт расхода свободной энергии. В клетках ионный баланс (Na⁺, K⁺) обеспечивается белковыми структурами, которые носят название “калий-натриевый насос”.

Транспорт Na⁺ и K⁺ осуществляется за счёт гидролиза АТФ, превращения её в АДФ + свободный фосфат, с обязательным участием ферментов Na⁺, K⁺ -АТФ-аз. Перенос является сопряжённым, т.е. осуществляется синхронно: на переход 3 из клетки во вне необходимо наличие 2 во внеклеточной жидкости для её транспорта в клетку. Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, электрических потенциалов, давления и т.д. С точки зрения термодинамики активный транспорт удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.

 

БИОПОТЕНЦИАЛЫ.

Измерение биопотенциалов является объективным, универсальным  точным показателем течения физиологических  функций различных органов.

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ.

Все процессы жизнедеятельности  органов сопровождаются появлением в клетках и тканях электродвижущих  сил. Электрические явления играют большую роль в важнейших физиологических  процессах: возбуждении клеток и проведении возбуждения по клеткам.

Благодаря непосредственной связи биопотенциалов ( БП ) с метаболическими  процессами и физиологическим состоянием клеток они являются чувствительным и точно измеримым показателем  различных изменений в клетках в норме и при патологии. Для более эффективного использования измерения БП в медицине необходимо выяснение механизмов  их возникновения.

Диффузионные, мембранные и фазовые потенциалы.

Для возникновения  БП решающее значение имеют потенциалы, обусловленные несимметричным, неравномерным распределением ионов. К таким потенциалам могут быть отнесены: диффузионные, мембранные и фазовые.

Диффузионные потенциалы возникают на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов. Диффузионная разность потенциалов может быть найдена из уравнения Гендерсона: Е = [ (U - V) RT ln ( a1/a2 ) ] / ( U + V ) ZF,

где U - подвижность катиона; V - подвижность аниона; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура; Z - валентность ионов;  F - число Фарадея; a1 - активность ионов в области, откуда идет диффузия; a2 - активность ионов в области, куда идет дифффузия.

Под активностью ионов  понимают их активную концентрацию. Активность ионов всегда меньше их абсолютной концентрации, что обусловлено взаимодействием ионов друг с другом, а также их взаимодействием с электрически заряженными группами других молекул. Активность выражается произведением коэффициента активности f, определяемым эмпирически, на абсолютную концентрацию С ионов: a = f C

Частным случаем  диффузионного потенциала является мембранный потенциал. Он возникает при наличии пористой перегородки ( в клетке - мембрана ), которая избирательно пропускает катионы и анионы, например, пропускающей только катионы. Это приводит к возникновению разности потенциалов, которую можно найти из формулы:

 E =  (RT / ZF ) ln (a1/ a2 ) - она называется уравнением Нернста. Если перейти от натуральных логарифмов к десятичным и подставить значения постоянных, то при 20° С получим:       E =  58 lg ( a1 / a2 ) ] / Z  [mB] - это уравнение обычно используют при практическом расчете мембранных потенциалов.

В соответствии с современными представлениями потенциалы покоя, повреждения и действия являются по своей природе мембранными потенциалами.

Фазовые потенциалы возникают на границе раздела двух несмешивающихся фаз ( например, раствор электролита в воде и какое-либо масло ) в результате различной растворимости катионов и анионов в неводной фазе. Величину фазовых потенциалов можно определить из уравнения Гендерсона.

76. Потенциал покоя. Природа потенциала покоя.

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность электрических потенциалов. Разность потенциалов, измеренная между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны в состоянии физиологического покоя клетки, называется потенциалом покоя. Потенциал покоя клетки можно измерить с помощью стеклянного микроэлектрода, введенного непосредственно в цитоплазму; второй электрод при этом находится во внеклеточной жидкости. Кончик микроэлектрода, имеющего внутри канал, заполненный концентрированным раствором КС1, может иметь диаметр всего в долю микрона. При введении микроэлектрода мембрана клетки охватывает его кончик и ее повреждения практически не происходит

На основании большого экспериментального материала было установлено, что цитоплазма в состоянии покоя клеток всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к потенциалу межклеточной  жидкости. Потенциал покоя у разных клеток имеет величину от 50 до 100 мВ. Согласно современным взглядам, потенциал покоя по своей природе является мембранным потенциалом. Наличие мембраны приводит к  возникновению потенциалов клеток, как в покое, так и при возбуждении. Причина их возникновения - неравномерное распределение ионов калия и натрия между содержимым клеток и межклеточной средой. Концентрация ионов калия внутри клеток в 20—40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация натрия в межклеточной жидкости в 10—20 раз выше, чем внутри клеток. Такое неравномерное распределение ионов обусловлено активным переносом ионов—работой натрий-калиевого насоса.                                

Как было установлено, возникновение  потенциала покоя обусловлено в  основном наличием концентрационного градиента ионов калия. Эта точка зрения базируется на том, что ионы калия внутри клетки находятся в свободном состоянии, т. е. не связаны с другими ионами и молекулами и могут свободно диффундировать.

Согласно теории Ходжкина, Хаксли, Катца, клеточная мeмбpaнa в cocтoянии покоя проницаема в основном только для ионов калия. Ионы калия диффундируют по концентрационному градиенту через клеточную мембрану в окружающую жидкость; анионы не могут проникать через мембрану и остаются на ее внутренней стороне. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы, остающиеся на внутренней поверхности мембраны,—отрицательный, то внешняя, поверхность мембраны при этом заряжается положительно, а внутренняя отрицательно. Понятно, что диффузия продолжается только до того момента, пока не установится равновесие между силами возникающего электрического поля и силами диффузии.

Если принять, что потенциал  покоя определяется диффузией только ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина Е может быть найдена из уравнения Нернста:

Е = (RT/ z F)·ln[K.]i / [К.]е    (1)

где [K.]i и [К.]е—активность ионов калия внутри и снаружи клетки, z - валентность.

77. Уравнение Гольдмана – Ходжкина – Хаксли.

Мембрана в состоянии  покоя проницаема не только для ионов  калия, но и в небольшой степени  для ионов натрия и хлора. Мембранный потенциал клеток представляет собой результирующую электродвижущих сил, генерируемых всеми этими тремя каналами диффузии. Проникновение натрия из окружающей жидкости внутрь клетки по концентрационному градиенту приводит к некоторому уменьшению мембранного потенциала. Диффузия через мембрану ионов хлора, содержание которых в межклеточной жидкости большинства тканей выше, чем в клетках, вызывает некоторое увеличение мембранного потенциала. Следовательно, для более точного вычисления потенциала покоя необходимо учитывать не только диффузию ионов калия, но и диффузию натрия и хлора. Уравнение Нернста позволяет описывать мембранный потенциал только в первом приближении; для более точного определения потенциала применяют обобщенное уравнение Гольдмана-Ходжкина-Хаксли:

Е = (RT/ z F)·ln[(Рк· [K.]i  + P_Na· [Na]_i + P_Cl· [Cl]_e) / (Рк· [K.]e  + P_Na· [Na]_e + P_Cl· [Cl]i)    

где P_k, P_Na, P_Cl — коэффициенты проницаемости мембраны для ионов калия, натрия и хлора; [К], [Na], [Cl] — их активности внутри (i) и вне (е) клетки. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Хаксли позволяет определять мембранный потенциал не только в состоянии покоя, но и при возбуждении клетки. Для этого необходимо знание коэффициентов проницаемости для ионов. По данным Ходжкина и Катца (1949), для аксона кальмара в состоянии покоя отношение коэффициентов проницаемости Рк: Рnа : Р_Cl= 1 : 0,04 : 0,45.

 

78. Потенциал действия. Генерация потенциала действия.

Все клетки возбудимых тканей при действии различных раздражителей  достаточной силы способны переходить в состояние возбуждения. К возбудимым относятся нервная, мышечная и железистая ткани, хотя четкой границы между возбудимыми и другими тканями провести нельзя. Возбудимость—это способность клеток к быстрому ответу на раздражение, проявляющемуся через совокупность физических, физико-химических процессов и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны. Опыт показывает, что возбужденный участок клетки становится электроотрицательным по отношению к невозбужденному, что указывает на перераспределение ионов в возбужденном участке. При возбуждении оно имеет временный характер, и после окончания возбуждения вновь восстанавливается исходный потенциал покоя. Потенциалом действия называется общее изменение разности потенциалов между клеткой и средой, происходящее при пороговом и сверхпороговом возбуждении клеток. Потенциалы действия обеспечивают_проведение _возбуждения по нервным волокнам и инициируют процессы сокращения мышечных и секреции железистых клеток.

Время, мс

Рис. 1. Потенциал действия нервного волокна кальмара, зарегистрированный с помощью внутриклеточного электрода (по А. Ходжкину и А. Хаксли, 1965).

Е1 — потенциал покоя, E2 — мембранный потенциал при возбуждении, E3 - потенциал действия.

На рис. 1, где показано изменение мембранного потенциала при возбуждении, видно, что в  состоянии покоя внутренняя сторона  клеточной оболочки имеет отрицательный  потенциал, примерно равный —45 мВ, тогда  как при возбуждении мембранный потенциал становится равным +40 мВ. Таким образом, полное значение потенциала действия составляет 85 мВ, что значительно превышает величину потенциала покоя.

Возникновение потенциала действия связано с увеличением  проницаемости мембраны для ионов  натрия и последующим усилением диффузии этих ионов по концентрационному градиенту внутрь клетки, что приводит к изменению (уменьшению) мембранного потенциала. Независимо от того, чем это вызвано - уменьшение мембранного потенциала ниже критического уровня приводит к увеличению проницаемости мембраны для натрия, а увеличение проницаемости сопровождается усилением диффузии натрия в цитоплазму, что вызывает еще большую деполяризацию мембраны. Благодаря наличию положительной обратной связи деполяризация мембраны при возбуждении происходит с ускорением и поток ионов натрия в клетку все время возрастает.

79. Распространение потенциала действия. Понятие о локальных токах. Кабельная теория распространения потенциала действия.