Электрические импульсы в биологических клетках
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?ткрываются при деполяризации мембраны. Поступление ионов натрия в клетку вызывает открытие всё большего числа активационных ворот. Второй тип ворот натриевых каналов - инактивационные при усиливающейся деполяризации мембраны постепенно закрываются, что останавливает приток натрия в клетку. Деполяризация мембраны также служит причиной открытия дополнительного числа калиевых каналов, в результате чего увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия и происходит реполяризация мембраны.
Изменение состояния натриевых и калиевых каналов мембраны в зависимости от величины мембранного потенциала
Распространение потенциала действия
Потенциал действия распространяется вдоль мембраны нервной и мышечной клеток без уменьшения амплитуды с расстоянием. Этот процесс обусловлен кабельными свойствами плазматической мембраны, т.е. способностью проводить электрический ток на небольшие расстояния. Локальный электрический ток течет в клетку в активной области (где возникает потенциал действия) и из клетки - в смежной неактивной зоне. Эти ионные токи вызывают некоторые изменения мембранного потенциала в зоне, прилегающей к месту возникновения потенциала действия.
Циклический локальный ток снижает заряд мембраны в неактивной зоне и деполяризует её. Если деполяризация достигает порогового уровня, то возрастает проницаемость мембраны для ионов натрия и возникает потенциал действия. Таким образом потенциал действия распространяется вдоль нервных и мышечных волокон с постоянной скоростью.
Распространение потенциала действия вдоль мембраны нервного волокна
Скорость распространения потенциала действия в нервных волокнах зависит от их диаметра. Она максимальна в наиболее толстых волокнах, достигая около 100 метров в секунду.
Биопотенциалы
электрические потенциалы в тканях и клетках (главным образом в клеточных мембранах) живых организмов. Связаны с процессами возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Исследования биоэлектрических потенциалов применяют с диагностическими целями (электрокардиография, электроэнцефалография и др.).
Приоритет в открытии животного электричества принадлежит итальянскому врачу и естествоиспытателю Л. Гальвани, описавшему в 1791 сокращение мышцы в ответ на приложение к ней или иннервирующему ее нерву особого пинцета, одна половина которого состояла из меди, а другая - из железа. Гальвани объяснял это явление способностью нерва и мышцы быть источниками электричества, пинцет же, по мнению Гальвани, играл роль проводника, замыкающего электрическую цепь. В подтверждение своей теории Гальвани приводил способность некоторых рыб (электрического ската, электрического угря) вырабатывать электричество и генерировать разряд, подобный молнии, которая была известна еще в далекой древности.
Мембранная теория биопотенциалов
Первые систематические исследования природы биопотенциалов и токов в 19 веке принадлежат немецкому электрофизиологу Э. Дюбуа-Реймону. Измеряя с помощью серебряных электродов разность потенциалов между поверхностью мышцы (где устанавливался один электрод) и ее внутренней средой (куда втыкался заостренный второй электрод), он впервые доказал, что в основе биопотенциалов лежит пространственное разделение положительных и отрицательных электрических зарядов между наружной и внутренней поверхностью мембраны любой клетки. В состоянии покоя наружная поверхность клетки всегда заряжена положительно, а внутренняя - отрицательно, и такой трансмембранный потенциал покоя составляет порядка 0,05-0,09В. Физико-химическую природу потенциала покоя впервые удалось научно объяснить ученику Дюбуа-Реймона Ю. Бернштейну, разработавшему в 1903-1911мембранную теорию биопотенциалов. Опираясь на данные физикохимии и коллоидной химии о движении ионов в растворах электролитов и через полупроницаемые органические пленки, а также данные об электролитическом составе цитоплазмы клетки и внеклеточных жидкостей, Бернштейн предположил, что мембрана клетки в состоянии покоя не пропускает органические анионы (которых много внутри клетки) и избирательно проницаема только для ионов калия, концентрация которых в клетке в 50-100 раз выше, чем в межклеточном пространстве. Ионы калия диффундируют через мембрану по концентрационному градиенту наружу, где они скапливаются и придают наружной стороне мембраны положительный заряд. Одновременно неспособные проходить вслед за калием наружу органические анионы - противоионы - скапливаются на внутренней поверхности мембраны и заряжают ее отрицательно. Такой потенциал покоя, возникающий по разные стороны мембраны, называют диффузионным. В 1930-1940-е мембранная теория Бернштейна подверглась ревизии. Было показано, что потенциал покоя обусловлен не только калиевым, но и отчасти натриевым и хлорным диффузионными потенциалами, и может быть описан с помощью уравнения Гольдмана-Ходжкина-Катца (см. Потенциал покоя). В 1950-е был установлен новый важный факт, доказывающий, что сохранение стабильного уровня потенциала покоя клетки требует постоянного поддержания трансмембранных ионных градиентов калия, натрия и хлора. Как выяснилось, это происходит за iет работы специальных трансмембранных молекул - так называемых ионных насосов, трансмембранных сопряженных переноiиков ионов калия и натрия. Используя энергию АТФ, они постоянно выкачивают