Занятие № 9. Тема: формирование и распространение сигнала в биологических мембранах

ТЕМА: Формирование и распространение сигнала в биологических мембранах

Цель: Изучить физические принципы формирования трансмембранных потенциалов и влияние характеристик среды на скорость распространения импульса

Одна из важнейших функций биологической мембраны - генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследование электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие. Практикуется лечебное воздействие на ткани и органы внешними электрическими импульсами при электростимуляции. В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов: 1) окислительно-восстановительные потенциалы - вследствие переноса электронов от одних молекул к другим; 2) мембранные - вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.

Вопросы для рассмотрения на занятии:

1. Чем определяется потенциал покоя (повторение, эквивалентная схема).

2. Вольтамперные характеристики каналов. Отличия от характеристик переносчиков при постоянном и переменном напряжении.

3. Регистрация токов через мембрану в условиях фиксации потенциала (экспериментальные предпосылки для теории Ходжкина-Хаксли).

4. Блокировка каналов – действие тетродоксина, тетраметиламмония.

5. Регистрация потенциала действия потенциал-зависимых натриевых и калиевых токов. Пороговость действия.

6. Динамика натриевых и калиевых токов.

7. Модель Ходжкина-Хаксли. Воротные механизмы каналов. Три открывающих и один закрывающий потенциал-чувствительных центра для натриевых (по характеру кривой тока во времени); четыре открывающих для калиевых.

8. Современная трактовка воротного механизма – потенциал-чувствительные конформационные перестройки.

9. Обнаружение воротных токов.

10. Распространение импульса – эквивалентная цепь с распределенными элементами. Телеграфное (кабельное уравнение).

11. Решение телеграфного уравнения для стационарных условий: падение напряжения в зависимости от толщины (радиуса) нервного волокна, сопротивления мембраны. Влияние миэлинизации на скорость распространения импульса.

12. Особенности потенциалов в кардиомиоцитах. Влияние кальциевых токов.

13. Инициация сигналов: хемичувствительные каналы (н-холинорецептор), возникновение автоколебаний – осциллятор Теорелла.

14. Контрольная работа: Трансмембранный транспорт.

Самостоятельная работа

Рассчитайте амплитуду потенциала действия, если концентрация калия и натрия внутри клетки возбудимой ткани соответственно: 125 ммоль/л, 1, 5 ммоль/л, а снаружи 2, 5 ммоль/л и 125 ммоль/л.

Литература

· Рубин А.Б. Биофизика. Т 2. – М., 2000, с. 72-204

· Рубин А.Б. Лекции по биофизике. – М., 1998, Лекция 14-16

· Антонов В.Ф. Биофизика. – М., 1999, с. 8-111

· Владимиров Ю.А. Биофизика. – М., 1983, с. 121-136, 147-172

· Волькенштеин М.В. Биофизика. – М., 1988, с. 341-354, 359-386