8

Лекция . Биоэлектричество и его механизмы.

План лекции.

1. История открытия биоэлектричества. Токи покоя и действия.

2. Мембранный потенциал покоя. Методы регистрации.

3. Природа мембранного потенциала покоя.

4. Изменение мембранного потенциала при возбуждении (потенциал действия (ПД)).

5. Сравнительная характеристика ЛО и ПД.

6. Современные представления о механизме ПД.

7. Потенциал действия и возбудимости клетки.

1. Первые научные работы, направленные на изучение «животного электричества», датированы серединой 18 столетия и связаны с изучением электрических органов морских животных (электрический скат, некоторые глубоководные рыбы). Все эти исследования подготовили благоприятную почву для работ Л.Гальвани, который считается основателем электрофизиологии. Само открытие «животного электричества» у лягушек связано с так называемым «балконным опытом» (1786). Должен отметить, что на первом этапе своей научной карьеры Л.Гальвани изучал влияние различных по природе электрических разрядов на нервно-мышечный препарат и препарат задних лапок лягушек. При подготовке эксперимента он обнаружил любопытное явление: касание препарата задних лапок лягушки, висящего на медном крючке, железных прутьев балкона, сопровождалось сокращением мышц. Исследователь предположил, что между мышечной и нервной тканью препарата существует разность потенциалов: сокращение мышц происходит в результате замыкания электрической цепи, где медный крючок и железный прут выступают в роли проводников. Современник Л.Гальвани известный физик А.Вольта трактовал это явление как результат возникновения постоянного тока в цепи, состоящей из разнородных металлов. В роли проводника, по его мнению, выступал препарат. Сегодня мы знаем, что в данном конкретном случае был прав А.Вольта, однако, дальнейшими экспериментами Л.Гальвани и его ученики доказали, что «животное электричество» существует (второй опыт Л.Гальвани с исключением контакта разнородных металлов, опыт К.Маттеуччи с двумя нервно-мышечными препаратами, один из которых при возбуждении электрическим током служил источником возбуждения для другого).

Второй исторический этап развития электрофизиологии связывают с именем выдающегося немецкого физиолога Эмиля Дю Буа-Реймона. В 1841 он показал, что при замыкании измерительной электрической цепи между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, можно зарегистрировать электрический ток, названный им «током покоя». При возбуждении мышцы величина величина «тока покоя» уменьшалась. Это колебание «тока покоя» он назвал «током действия». Опыт Э.Дю Буа-Реймона позволял предположить, что между поверхностью мышечной клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов. Действительно, при пересечении мышцы мы обеспечиваем в эксперименте доступ к протоплазме мышечных клеток, а помещая в этот участок электрод и соединяя его с гальванометром, второй вход которого соединен с неповрежденным участком, экспериментатор оценивает разность потенциалов между указанными точками. Развитие электрофизиологии в 40-50 годы нашего столетия подтвердило это предположение.

2. Современная материально-техническая электрофизиологическая база позволяет осуществить регистрацию разности потенциалов в покоящейся возбудимой клетке. Для этого необходимы: микроэлектроды с сечением 0,5 мкм (металлические или стеклянные), усилитель постоянного тока и осциллограф (см.схему 1). Один из микроэлектродов вводится внутрь клетки, а другой помещается на ее поверхность. Электроды соединяются со входами усилителя, выходы которого подаются на вход осциллографа (рис.1).

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОСЦИЛЛОГРАФ

ВОЗБУДИМАЯ

КЛЕТКА

Рис.1. Схема экспериментальной установки для регистрации МПП.

На экране осциллографа разность потенциалов между поверхностью мембраны клетки и ее протоплазмой отражается смещением луча от изолинии, причем чем больше это отклонение, тем больше величина разности потенциалов.

3. Первую гипотезу в отношении природы МПП высказал Э.Дю Буа-Реймон, предположивший, что разность потенциалов создается молекулами, встроенными в мембрану клеток и имеющими электростатические заряды на полюсах (дипольная гипотеза). Однако, эта гипотеза не была подтверждена экспериментально и сегодня представляет лишь исторический интерес.

Дальнейшее развитие представлений в области биоэлектричества связано с именем В.Ю.Чаговца, высказавшем гипотезу об ионной природе этих явлений (1896). В частности, он считал, что в процессе жизнедеятельности клеток синтезируются различные органические кислоты, которые согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса в водной фазе протоплазмы клеток диссоциируют на ионы водорода и анионы. Положительно заряженные ионы водорода более подвижны, чем анионы, в связи с чем они выходят на поверхность клеток, формируя положительный заряд на них. Анионы же остаются в протоплазме и формируют ее электроотрицательность. Однако, эта гипотеза не нашла своего подтверждения: при таком механизме формированияразности потенциалов в клетках рН межклеточной жидкости должна быть кислой, тогда как в реальности она нейтральная. Кроме того абсолютное значение разности потенциалов, согласно этой гипотезе, должно быть меньшей, чем установлено экспериментально. На следующем этапе изучения электрогенеза в тканях возникла классическая мембранно-ионная теория, автором которой был один из учеников Э.Дю Буа-Реймона Ю.Берштейн (1902). Согласно его взглядам, ведущими факторами формирования разности потенциалов в клетке в состоянии покоя является ее полупроницаемая мембрана и ионная асимметрия. В своих представлениях Ю.Берштейн опирался на опыт Оствальда, демонстрирующего появление разности потенциалов между двумя половинами сосуда с раствором К₂SО, перегороженного полупроницаемой мембраной. Величина этой разности потенциалов должна соответствовать расчетной на основе формулы Нернста:

Е= ((R*Т) / ( F*n )) * Ln (К⁺ _Н / К⁺ _В),

где Е- разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны, R- газовая постоянная, Т – абсолютная температура,F- число Фарадея ,К⁺ _Н и К⁺ _В –внутренняя и наружная концентрация ионов калия (число Фарадея – заряд 1 моля одновалентных ионов, газовая постоянная – кинетическая энергия одного моля ионов при Т=1К). В целом верно отражая механизм электрогенеза, теория Ю.Берштейна не во всех случаях корректно объясняла электрофизиологические феномены, например, происхождение части высоковольтного пика – овершута, не объясняла причину возникновения исходных ионных градиентов.

Развитие представлений Ю.Берштейна нашло в работах английских физиологов Эндрю Ф.Хаксли, Алана Л.Ходжкина и Бернарда Катца. Согласно их взглядам, природу МПП можно объяснить, базируясь на следующих положениях.