Электрические импульсы в биологических клетках
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
ионы натрия из клетки и закачивают ионы калия внутрь клетки, тем самым поддерживая постоянство трансмембранных ионных градиентов.
Открытие потенциала действия
Важнейшим этапом в исследовании природы биопотенциалов в 20 в. стали работы электрофизиологов А. Л. Ходжкина, А. Ф. Хаксли (Великобритания) и Дж. К. Эклса (Австралия) на гигантских аксонах кальмара. Используя новый метод фиксации мембранного потенциала с помощью электронной схемы с отрицательной обратной связью, они впервые прямо зарегистрировали трансмембранные ионные токи при возбуждении клетки. Было показано, что возбуждение сопровождается реверсией потенциала (перезарядкой мембраны): внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная - отрицательно. Причина перезарядки заключается в том, что в момент возбуждения мембрана клетки становится кратковременно проницаемой к ионам натрия, которые, быстро входя в клетку, перезаряжают мембрану. Ходжкин и Хаксли теоретически, в модельных экспериментах предсказали строение специальных ионных каналов, способных открываться и пропускать ионы натрия внутрь клетки лишь кратковременно и в строгой зависимости от величины потенциала на мембране. Предсказанные свойства молекул натриевых каналов были впоследствии подтверждены в прямых экспериментах. За раскрытие природы трансмембранных электрических процессов, происходящих в нервных и других клетках при возбуждении, Ходжкину, Хаксли и Эклсу в 1963 была присуждена Нобелевская премия. В 1960-1970 годы с помощью техники введения в клетки тонких стеклянных микроэлектродов (с диаметром кончика около 0,5 мкм) удалось обнаружить важную роль не только натриевых, но и кальциевых трансмембранных потоков при возбуждении и генерации потенциалов действия в нервных и мышечных клетках. В 1980-е годы в работах Э. Неера и Б. Сакмана был изобретен и впервые использован метод локального присасывания к мембране клетки с помощью стеклянной пипетки (с диаметром кончика в несколько микрон), позволивший регистрировать и анализировать ионные токи, текущие через отдельные ионные каналы.
Таким образом, только в 20 в. стало очевидным, что животное электричество, то есть всевозможные биопотенциалы и биотоки обусловлены движением не электронов, а ионов (натрия, калия, кальция, хлора) через специальные сложно организованные ионные каналы в мембране, а также обусловлены диффузией ионов в межклеточной и внутриклеточной средах, представляющих собой растворы электролитов.
Наряду с потенциалом покоя и потенциалом действия в 1950-1960 годы были описаны синаптические потенциалы, возникающие в синапсах и предназначенные для передачи возбуждения от клетки к клетке.
Биоэлектрические потенциалы у растений
Биоэлектрические потенциалы характерны не только для животных, но и для растений. В 1950-х годах при помощи микроэлектродов, вводимых в клетку, у нитчатой водоросли нителлы были обнаружены такие же значения потенциалов покоя, как и у животных клеток - порядка 0,09-0,05 В. Было установлено, что электрические, механические, химические и другие раздражители умеренной интенсивности вызывают в местах своего приложения к органам растения (листу, корню и т. д.) изменения потенциалов, сходные с местными (подпороговыми) потенциалами у животных клеток. Обнаружены у растений и специальные потенциалы возбуждения, подобные потенциалам действия животных клеток. Наиболее приближаются к классическим потенциалам действия электрические потенциалы, возникающие при распространении волны возбуждения по органам растения. Так, типичные двухфазные токи действия длительностью 0,1-0,2 мс сопровождают быстрые движения насекомоядного растения дианова мухоловка, а также защитную двигательную реакцию складывания листьев у стыдливой мимозы (Mimosa pudica) в ответ на механическое или электрическое раздражение растения.
Таким образом, биопотенциалы лежат в основе нормальной жизнедеятельности любой клетки и особенно важны для процессов возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Нарушения проводимости клеточных мембран могут приводить к серьезным патологиям организма (вплоть до смерти). Исследования биоэлектрических потенциалов применяют с диагностическими целями в электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии.
Круговые токи
Законы проведения возбуждения по нервному волокну
Механизм проведения возбуждения по нервным волокнам зависит от их типа. Существуют два типа нервных волокон: миелиновые и безмиелиновые.
Процессы метаболизма в безмиелиновых волокнах не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии. Распространение возбуждения будет идти с постепенным затуханием - с декрементом. Декре-ментное поведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы. Возбуждение распространяется за iет малых круговых токов, которые возникают внутрь волокна или в окружающую его жидкость. Между возбужденными и невозбужденными участками возникает разность потенциалов, которая способствует возникновению круговых токов. Ток будет распространяться от + заряда к-. В месте выхода кругового тока повышается проницаемость плазматической мемб-раны для ионов Na, в результате чего происходит деполяризация мембраны. Между вновь возбужденным участком и соседним невозбужденным вновь возникает разность потенциалов, что приводит к возникновению круговых токов. Возбуждение постепенно охватыва?/p>