Мембра́ны биологи́ческие

(лат. membrana оболочка, перепонка)

функционально активные поверхностные структуры толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство органелл клетки, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок, замкнутых областей.

Биологические мембраны имеются во всех клетках. Их значение определяется важностью функций, которые они выполняют в процессе нормальной жизнедеятельности, а также многообразием заболеваний и патологических состояний, возникающих при различных нарушениях мембранных функций и проявляющихся практически на всех уровнях организации — от клетки и субклеточных систем до тканей, органов и организма в целом.

Мембранные структуры клетки представлены поверхностной (клеточной, или плазматической) и внутриклеточными (субклеточными) мембранами. Название внутриклеточных (субклеточных) мембран обычно зависит от названия ограничиваемых или образуемых ими структур. Так, различают митохондриальные, ядерные, лизосомные мембраны, мембраны пластинчатого комплекса аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума, саркоплазматического ретикулума и др. (см. Клетка). Толщина биологических мембран — 7—10 нм, но их общая площадь очень велика, например, в печени крысы она составляет несколько сот квадратных метров.

Химический состав и строение биологических мембран. Состав М.б. зависит от их типа и функций, однако основными составляющими являются Липиды и Белки, а также Углеводы (небольшая, но чрезвычайно важная часть) и вода (более 20% общего веса).

Липиды. В составе М.б. обнаружены липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. В мембранах животных клеток более 50% всех липидов составляют фосфолипиды — глицерофосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелин). Гликолипиды представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами, а стероиды — в основном холестерином (около 30%). В липидных компонентах М.б. содержатся разнообразные жирные кислоты, однако в мембранах животных клеток преобладают пальмитиновая, олеиновая и стеариновая кислоты. Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды. Они обладают выраженной способностью формировать двухслойные структуры (бислои) при смешивании с водой, что обусловлено химической структурой фосфолипидов, молекулы которых состоят из гидрофильной части — «головки» (остаток фосфорной кислоты и присоединенная к нему полярная группа, например холин) и гидрофобной части — «хвоста» (как правило, две жирно-кислотные цепи). В водной среде фосфолипиды бислоя расположены таким образом, что жирно-кислотные остатки обращены внутрь бислоя и, следовательно, изолированы от окружающей среды, а гидрофильные «головки» —наоборот, наружу. Липидный бислои представляет собой динамичную структуру: образующие его липиды могут вращаться, двигаться в латеральном направлении и даже переходить из слоя в слой (флип-флоп переход). Такое строение липидного бислоя легло в основу современных представлений о структуре М.б. и определяет некоторые важные свойства М.б., например способность служить барьером и не пропускать молекулы веществ, растворенных в воде (рис.). Нарушение структуры бислоя может привести к нарушению барьерной функции мембран.

Холестерин в составе М.б. играет роль модификатора бислоя, придавая ему определенную жесткость за счет увеличения плотности «упаковки» молекул фосфолипидов.

Гликолипиды несут разнообразные функции: отвечают за рецепцию некоторых биологически активных веществ, участвуют в дифференцировке ткани, определяют видовую специфичность.

Белки биологических мембран исключительно разнообразны. Молекулярная масса их в большинстве своем составляет 25 000 — 230 000.

Белки могут взаимодействовать с липидным бислоем за счет электростатических и (или) межмолекулярных сил. Они сравнительно легко могут быть удалены из мембраны. К такому типу белков относят цитохром с (молекулярная масса около 13 000), обнаруживаемый на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий.

Эти белки называются периферическими, или наружными. Для других белков, получивших название интегральных, или внутренних, характерно то, что одна или несколько полипептидных цепей оказываются погруженными в бислои или пересекают его, иногда не один раз (например, гликофорин, транспортные АТФ-азы, бактериородопсин). Часть белка, контактирующая с гидрофобной частью липидного бислоя, имеет спиральное строение и состоит из неполярных аминокислот, в силу чего между этими компонентами белков и липидов происходит гидрофобное взаимодействие. Полярные группы гидрофильных аминокислот непосредственно взаимодействуют с примембранными слоями, как с одной, так и с другой стороны бислоя. Молекулы белков, как и молекулы липидов, находятся в динамическом состоянии, для них также характерна вращательная, латеральная и вертикальная подвижность. Она является отражением не только их собственной структуры, но и функциональной активности. что в значительной степени определяется вязкостью липидного бислоя, которая, в свою очередь, зависит от состава липидов, относительного содержания и вида ненасыщенных жирно-кислотных цепей. Этим объясняется узкий температурный диапазон функциональной активности мембраносвязанных белков.

Белки мембран выполняют три основные функции: каталитическую (ферменты), рецепторную и структурную. Однако такое разграничение достаточно условно, и в ряде случаев один и тот же белок может выполнять и репепторную и ферментную функции (например, инсулин).

Число мембранных ферментов (Ферменты) в клетке достаточно велико, однако их распределение в различных типах М.б. неодинаково. Некоторые ферменты (маркерные) присутствуют только в мембранах определенного типа (например, Na, К-АТФ-аза, 5-нуклеотидаза, аденилатциклаза — в плазматической мембране; цитохром Р-450, НАДФН-дегидрогеназа, цитохром в5 — в мембранах эндоплазматического ретикулума; моноаминоксидаза — в наружной мембране митохондрий, а цитохром С-оксидаза, сукцинат-дегидрогеназа — во внутренней; кислая фосфатаза — в мембране лизосом).

Рецепторные белки, специфически связывая низкомолекулярные вещества (многие гормоны, медиаторы), обратимо меняют свою форму. Эти изменения запускают внутри клетки ответные химические реакции. Таким способом клетка принимает различные сигналы, поступающие из внешней среды.

К структурным белкам относят белки цитоскелета, прилегающие к цитоплазматической стороне клеточной мембраны. В комплексе с микротрубочками и микрофиламентами цитоскелета они обеспечивают противодействие клетки изменению ее объема и создают эластичность. В эту же группу включают ряд мембранных белков, функции которых не установлены.

Углеводы в биологических мембранах находятся в соединении с белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). Углеводные цепи белков представляют собой олиго- или полисахаридные структуры, в состав которых входят глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза. Углеводные компоненты М.б. открываются в основном во внеклеточную среду, образуя на поверхности клеточных мембран множество ветвистых образований, являющихся фрагментами гликолипидов или гликопротеидов. Их функции связаны с контролем за межклеточным взаимодействием, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в М.б. Многие рецепторные белки содержат углеводные компоненты. Примером могут служить антигенные детерминанты групп крови, представленные гликолипидами и гликопротеинами.

Функции биологических мембран. Барьерная функция. Для клеток и субклеточных частиц М.б. служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства. Функционирование клетки часто сопряжено с наличием значительных механических градиентов на ее поверхности преимущественно вследствие осмотического и гидростатического давления. Основную нагрузку в этом случае несет клеточная стенка, главными структурными элементами которой у высших растений являются целлюлоза, пектин и экстепин, а у бактерий — муреин (сложный полисахарид-пептид). В клетках животных необходимость в жесткой оболочке отсутствует. Некоторую жесткость этим клеткам придают особые белковые структуры цитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны.

2. Мембранные белки могут быть классифицированы по топологическому или биохимическому принципу. Топологическая классификация основана на локализации белка по отношению к липидному бислою. Биохимическая классификация основана на прочности взаимодействия белка с мембраной.

Топологическая классификация

По отношению к мембране мембранные белки делятся на поли- и монотопические.

Политопические, или трансмембранные, белки полностью пронизывают мембрану и, таким образом, взаимодействуют с обеими сторонами липидного бислоя. Как правило, трансмембранный фрагмент белка является альфа-спиралью, состоящей из гидрофобных аминокислот (возможно от 1 до 20 таких фрагментов). Только у бактерий, а также в митохондриях и хлоропластах трансмембранные фрагменты могут быть организованы как бета-складчатая структура (от 8 до 22 поворотов полипептидной цепи).

Интегральные монотопические белки постоянно встроены в липидный бислой, но соединены с мембраной только на одной стороне, не проникая на противоположную сторону.

Для получения белок-липидных ассоциатов к 10 мл 0,001M водного раствора бычьего сывороточного альбумина (БСА) добавляли 10 мл 0,001M толуольного раствора яичного лецитина. После встряхивания, образовавшаяся эмульсия разрушалась центрифугированием. Водная и толуольная фазы разделялись в делительной воронке. Мономолекулярные слои формировались при нанесении на поверхность воды в ванне Ленгмюра проб, отобранных из водной и толуольной фаз.

Изменение поверхностного давления (?, мН/м) от площади приходящейся на одну молекулу (А,нм2) БСА описывается S-образной кривой, характерной для изотерм ?-А белков. Начало изменения ? наблюдается при площади приходящейся на одну макромолекулу равной 70 нм2. Эта величина меньше, чем соответствующее значение для чистого белка, равное 100 нм2. На наш взгляд, такое изменение обусловлено тем, что часть, а может быть и все молекулы БСА входят в состав белок-липидных ассоциатов. Точка коллапса определяется координатами А= 20 нм2, р=21 м? /м. В случае белок-липидных ассоциатов в системе появляются более поверхностно-активный компонент (липид), что должно было бы вызвать большее снижение поверхностного натяжения. Такое ожидание не оправдалось. Вероятно, обнаруженная закономерность связана с иммобилизацией липидных молекул на глобуле белка. При уменьшении А происходит значительное падение модуля упругости пленки (Е). Величины Е для белок-липидных ассоциатов при больших А близки к соответствующим значениям Е для монослоя БСА. В жидко-растянутом состоянии присутствующие наночастицы ведут себя аналогично отдельным макромолекулам белка. Большое сжатие монослоя вызывает, вероятно, перераспределение молекул лецитина, которые располагаясь между молекулами БСА, блокируют межмолекулярные взаимодействия белка. Таким образом, липидные молекулы выполняют роль пластификатора.

Изотерма двумерного давления для образца полученного из толуольной фазы значительно отличается от предыдущей зависимости. Начальная точка кривой имеет самую большую координату А, равную 130 нм2. Точка коллапса определяется, также самой большой величиной p из ранее наблюдавшихся. Ее координаты p=34 мН/м, А=5 нм2.

Таким образом данный тип белок-липидных ассоциатов является наиболее поверхностно-активным. Изотермы сжатия-растяжения имеют более выраженный участок, характеризующий фазовый переход из жидко-растянутого в жидко-конденсированное состояние. Такая значительная область определяется, вероят

3. Липосомы - полые частицы, содержимое которых ограничено липидной мембраной. Они относятся к обширному семейству везикулярных (пузырьковых) структур, образуемых амфифильными молекулами. За сравнительно короткий срок липосомы превратились из простой модели, имитирующей клеточные мембраны, в объект активных научных исследований и разнообразных практических применений. но, не только изменением упаковки элементов в монослое, но и изменением структуры самих ассоциатов.

Часто слова "липосомы" и "липидные везикулы" используют как синонимы. Однако исторически липосомами впервые были названы частицы, образующиеся при механическом диспергировании взвеси набухших фосфолипидов в воде. Эти частицы являются многослойными, и потому их иногда называют мультиламеллярными везикулами (МЛВ). Они состоят из нескольких десятков, а то и сотен липидных бислоев, разделенных водными промежутками (рис. 2), и имеют довольно крупные размеры (до 50 мкм). На другом полюсе обширного липосомного семейства находятся самые маленькие везикулы (около 20 нм), образованные одним липидным бислоем и называемые малыми моноламеллярными везикулами (ММВ). Между этими двумя крайностями лежит целое поле разнообразных липосомных структур, различающихся размерами, формой, числом липидных бислоев и внутренним устройством. Внешне липосомы не всегда выглядят как глобулярные частицы. Иногда они принимают уплощенную дискообразную форму (так называемые дискомы) или имеют вид очень длинных и тонких трубок, которые называют тубулярными липосомами.

Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси.

Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны — полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.

Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, первапорация, сепарация газа, диализ или хроматография. Способ применения зависит от типа функциональности включений в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.

4. Методы электронной микроскопии замораживание-скалывание и замораживание травление обеспечивают уникальную возможность наблюдать внутреннее строениеклетки В клеточной биологии особенно успешно используются два метода, основанные на получении механических реплик. Один из них - метод электронной микроскопии «замораживание-скалывание» - дает возможность изучать внутреннее строение клеточных мембран. Клетки замораживают при температуре жидкого азота (-196°С) в присутствии криопротектора (антифриза) во избежание искажений за счет образования кристаллов льда. Замороженный блок затем раскалывают лезвием ножа. Скол часто проходит через гидрофобную середину двойного слоя липидов, обнажая внутреннюю поверхность клеточных мембран. Образующуюся поверхность скола оттеняют платиной, органический материал удаляют и изучают полученные реплики в электронном микроскопе Такие реплики усеяны небольшими выпячиваниями - внутримембранными частицами, которые представляют собой крупные мембранные белки. Этот метод чрезвычайно удобен и эффективен при анализе распределения таких белков на поверхности мембраны (рис. 4-22). Другой важный метод электронной микроскопии - метод «замораживания-травления» - используется для изучения внешней поверхности клеток и мембран. В данном случае клетки замораживают при очень низкой температуре и замороженный блок раскалывают лезвием ножа. Содержание льда вокруг клеток (и в меньшей степени внутри клеток) понижают возгонкой воды в вакууме при повышении температуры (процесс называют вакуумной сушкой) (рис. 4-23). Участки клетки, подвергнутые такому травлению, затем оттеняют (как было показано ранее) для приготовления платиновой реплики. Метод замораживания - травления не позволяет использовать криппротекторы, поскольку они не летучи и по мере возгонки воды остаются в образце. Чтобы добиться высокого качества изображения, необходимо препятствовать образованию больших кристаллов льда. Это возможно при ускоренном замораживании образца (при скорости замораживания выше 20° С в миллисекунду). Один из методов такого быстрого замораживания состоит в использовании специального устройства. быстро сближающего образец с медным блоком, охлажденным до — 269°С жидким гелием. Особенно впечатляющие результаты получают после глубокого травления быстро замороженных клеток. Этот метод позволяет выявлять структуры внутреннего содержимого клеток, демонстрируя их трехмерную организацию с исключительной четкостью (рис. 4-24). Поскольку в этом случае в микроскопе под вакуумом наблюдают не образцы, а реплики, полученные после оттенения металлом, методы замораживание - скалывание и замораживание - травление можно использовать для изучения замороженных нефиксированных клеток и исключить риск проявления артефактов, вызванных фиксацией. Электронная микрофотография тилакоидной мембраны хлоропластов клетки растений, полученная по методу замораживания- скалывания. Тилакоидные мембраны, осуществляющие фотосинтез, уложены в виде множества слоев. Плоскость скола переходит с одного слоя на другой и проходит через середину каждого липидного бислоя. Внутримембранные белки, которые содержатся в значительном количестве внутри двойного слоя, обнажаются и после натенения выявляются в виде внутримембранных частиц в этой платиновой реплике. Самой крупной частицей, выявляемой на мембране, является комплекс из множества белков, образующих фотосистему II. (С любезного разрешения L. F. Staehelin.) Электронная микроскопия по методу замораживания-травления. Замороженный образец раскалывают ножом (А). Затем, сублимируя воду под вакуумом, уменьшают слой льда и обнажают таим образом поверхность клетки (Б). После этого готовят реплику все еще замороженной поверхности и проводят исследование с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Регулярно уложенные белковые филаменты в мышце насекомых. Для получения этого изображения мышечные клетки были заморожены в жидком гелии, расколоты через цитоплазму и подвергнуты глубокому высушиванию. Затем была приготовлена металлическая реплика, которую изучали при большом увеличении. (С любезного разрешения Roger Cooke, John Heuser).

5. Перенос веществ через М.б. сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т.п. (см. Биоэнергетика). Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М.б.

6.Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов). Различают несколько видов транспорта. Если вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений, то такой вид транспорта называют юнипортом. Если перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого, то говорят о котранспорте, причем однонаправленный перенос называется симпортом, а противоположно направленный — антипортом. В особую группу выделяют перенос веществ путем экзо- и пиноцитоза.

Пассивный перенос может осуществляться путем простой диффузии через липидный бислои мембраны, а также через специализированные образования — каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства, а также кислород и углекислый газ. Каналы представляют собой липопротеиновые структуры, пронизывающие мембраны. Они служат для переноса определенных ионов и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса.

В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия.

7.Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента (активный транспорт) связан со значительными затратами энергии. Часто градиенты достигают больших величин. например, концентрационный градиент водородных ионов на плазматической мембране клеток слизистой оболочки желудка составляет 106, градиент концентрации ионов кальция на мембране саркоплазматического ретикулума — 104, при этом потоки ионов против градиента значительны. В результате затраты энергии на транспортные процессы достигают, например, у человека, более 1/3 всей энергии метаболизма. В плазматических мембранах клеток различных органов обнаружены системы активного транспорта ионов натрия и калия — натриевый насос. Эта система перекачивает натрий из клетки и калий в клетку (антипорт) против их электрохимических градиентов. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса — Na+, К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. На каждую гидролизующуюся молекулу АТФ транспортируется три иона натрия и два иона калия. Существуют два типа Са2+-АТФ-аз. Одна из них обеспечивает выброс ионов кальция из клетки в межклеточную среду, другая — аккумуляцию кальция из клеточного содержимого во внутриклеточное депо. Обе системы способны создавать значительный градиент иона кальция. К+, Н+-АТФ-аза обнаружена в слизистой оболочке желудка и кишечника. Она способна транспортировать Н+ через мембрану везикул слизистой оболочки при гидролизе АТФ. В микросомах слизистой оболочки желудка лягушки найдена аниончувствительная АТФ-аза, способная при гидролизе АТФ осуществлять антипорт бикарбоната и хлорида.

Изложенные механизмы транспорта различных веществ через клеточные мембраны имеют место и в случае их транспорта через эпителий ряда органов (кишечника, почек, легких), который осуществляется через слой клеток (монослой в кишечнике и нефронах), а не через единичную клеточную мембрану. Такой транспорт называют трансцеллюлярным, или трансэпителиальным. Характерной особенностью клеток, например эпителиоцитов кишечника и канальцев нефронов, является то, что апикальная и базальная их мембраны различаются по проницаемости, величине мембранного потенциала и транспортной функции.

8. Способность генерировать биоэлектрические потенциалы и проводить возбуждение. Возникновение биоэлектрических потенциалов связано с особенностями строения биологических мембран и с деятельностью их транспортных систем, создающих неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны. Процессы трансформации и запасания энергии протекают в специализированных М.б. и занимают центральное место в энергетическом обеспечении живых систем. Два основных процесса энергообразования — фотосинтез и тканевое дыхание — локализованы в мембранах внутриклеточных органелл высших организмов, а у бактерий — в клеточной (плазматической) мембране. Фотосинтезирующие мембраны преобразуют энергию света в энергию химических соединений, запасая ее в форме сахаров — основного химического источника энергии для гетеротрофных организмов. При дыхании энергия органических субстратов освобождается в процессе переноса электронов по цепи окислительно-восстановительных переносчиков и утилизируется в процессе фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом с образованием АТФ. Мембраны, осуществляющие фосфорилирование, сопряженное с дыханием, называют сопрягающими (внутренние мембраны митохондрий, клеточные мембраны некоторых аэробных бактерий, мембраны хроматофоров фотосинтезирующих бактерий).

Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них. Метаболические системы не остаются при этом полностью изолированными. В мембранах, разделяющих клетку, имеются специальные системы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение соединений, обладающих регуляторным действием.

Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.

Микроэлектродная техника в физиологии, применяется для измерения электрических, концентрационных и окислительных потенциалов различных клеток и их частей, а также для местного, строго ограниченного воздействия на них током и различными веществами. Микроэлектроды введены в 1946 американскими учёными Р. Джерардом и Дж. Лингом и стали применяться для отведения электрических потенциалов сначала от одиночного мышечного волокна, а затем и от отдельной клетки. В лабораторных исследованиях используются металлические микроэлектроды с диаметром кончика порядка 1 мкм, заполненные раствором электролита стеклянные микропипетки с диаметром кончика меньше 1 мкм и некоторые другие типы микроэлектродов. Для подведения их к объекту применяют микроманипуляторы. Околоклеточное отведение позволяет регистрировать токи действия, внутриклеточное отведение, кроме того — уровень мембранного потенциала и постсинаптические потенциалы (см. Биоэлектрические потенциалы). Регистрация биопотенциалов с помощью микроэлектродов требует специальной усилительной техники. Микроэлектродная техника позволила исследовать электрические явления в нервных клетках, благодаря чему были сделаны фундаментальные открытия: раскрыты механизмы синаптической передачи и генерации токов действия, а также получены сведения о временном и пространственном распределении нервных импульсов, кодирующем передачу информации в нервной системе.

9. Рассмотрим механизм возникновения потенциала действия, на основе опытных данных Ходжкина и Хаксли проведенных на аксоне гигантского кальмара. Они обнаружили, что формирование потенциала действия связано с увеличением проницаемости мембраны для иона натрия и последующим усилением диффузии этих ионов по концентрационному градиенту внутрь клетки, что приводит к уменьшению мембранного потенциала. Поступления натрия в клетку продолжается до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не приобретает положительный заряд, достаточный для уравновешивания градиента концентрации натрия и прекращения его дальнейшего перехода внутрь клетки (точка В).

В результате потенциал покоя уменьшается до 0, далее идет ее возрастание до точки (В), т.е. происходит деполяризация (обратное поляризация). При достижении точки (В) натриевые каналы мембраны закрываются, открываются калиевые каналы. Ионы калия начинают активно выходить из клетки по градиенту, уменьшая тем самым положительный потенциал созданный ионами натрия. В точке (С) клетка приходит в исходное состояние, возбуждение отсутствует. По данным Ходжкина, отношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара в этот момент РK: РNa: РCl = 1: 20: 0,45. Если сравнить его с аналогичным соотношением в состоянии покоя РK: РNa: РCl = 1: 0,04: 0,45 , то видно, что для калия и хлора в первой фазе возбуждения проницаемость не изменилась, а для натрия она увеличилась в 500 раз.

Следует отметить, что натрий - калиевый механизм генерирования потенциала действия является не единственным. В клетках водорослей Хара реверсия (образование) потенциала обусловлена диффузией в клетку ионов хлора. Обнаружены также клетки, у которых реверсия мембранного потенциала обусловлена диффузией ионов кальция. К таким, в частности, относятся волокна гладких мышц, кишечника, матки, сосудов и других полых органов.

Ходжкин-Хаксли на основе своих опытов и в рамках математического моделирования получили уравнение, которое хорошо описывает потенциалы действия разных возбудимых структур:

)()()(34yyNaNaKKghmgngdtdCjϕϕϕϕϕϕϕ−+−+−+=

где j - плотность суммарного тока через мембрану, С- электроемкость единичной площади мембраны, ϕ - потенциал действия, ϕJ - потенциалы покоя, K, Na, Cl ионов, gK, gNa, gy - удельные проводимости мембраны для соответствующих ионов при полностью открытых каналов, n- доля открытых каналов иона К, m - для иона Na , h- доля не закрывающихся натриевых каналов.

10. Распространение нервного импульса вдоль возбудимо-

возбудимого волокна

Если в каком-нибудь участке возбудимой мембраны сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована, возбуждение распространяется на другие участки мембраны. Рассмотрим распространение возбуждения ни примере передачи нервного импульса по аксону. И в аксоплазме, и в окружающем растворе возникают локальные токи: между участками поверхности мембраны с большим потенциалом (положительно заряженными) и участками с меньшим потенциалом (отрицательно заряженными). Локальные токи образуются и внутри аксона, и на наружной его поверхности. Локальные электрические токи приводят к повышению потенциала внутренней поверхности невозбужденного участка мембраны о к понижению ф наружного потенциала невозбужденного участка мембраны, оказавшегося по соседству с возбужденной зоной. Таким образом, отрицательный потенциал покоя «ф»

уменьшается по абсолютной величине то есть повышается. В областях, близких к возбужденному участку «ф», повышается выше порогового значения. Под

действием изменения мембранного потенциала открываются натриевые каналы и дальнейшее повышение происходит уже за счет потока ионов натрия через мембрану. Происходит деполяризация мембраны, развивается потенциал действия. Затем возбуждение передается дальше на покоящиеся участки мембраны.

Может возникнуть вопрос, почему возбуждение распространяется по аксону не в обе стороны от зоны, до которой дошло

возбуждение, ведь локальные токи текут и обе стороны от возбужденного участка. Дело в том, что возбуждение может распространяться только в область мембраны, находящуюся к состоянии покоя, то есть в одну сторону от возбужденного участка аксона. В другую сторону нервный импульс не может распространяться, так как области, через которые прошло возбуждение, некоторое время остаются невозбудимыми - рефрактерными.

Повышение мембранного потенциала - причина деполяризующего потенциала V, передаваемого от возбужденных участков вдоль мембраны зависит от расстояния х (как это следует из электродинамики)

Большую скорость распространения нервного им пульса по аксону кальмара обеспечивает их гигантский по сравнению с аксонами позвоночных диаметр. У позвоночных большая скорость передачи возбуждения в нервных волокнах достигает другими способами. Аксоны позвоночных снабжены ми-

оболочкой, которая увеличивает сопротивление мембраны и ее толщину Возбуждение по миелинизированному волокну распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата Рапвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого. Нервные импульсы! проводятся по аксонам в какой-то степени аналогично тому, как передаются электрические сигналы по кабельно-релейной линии. Электрический импульс передается без затухания за счет его усиления на промежуточных релейных станциях, роль которых в аксонах выполняют участки возбудимой мембраны. в которых генерируются потенциалы действия.

14. ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЯ (electrocardiography) - метод записи электрических потенциалов, сопровождающих работу сердца. К специальному регистрирующему аппарату (электрокардиографу (electrocardiograph)) присоединяются электроды, другой конец которых крепится к конечностям пациента или размещается на его грудной клетке; собственно запись электрических потенциалов, сопровождающих работу сердца, называется электрокардиограммой (ЭКГ). При традиционной электрокардиографии (scalar electrocardiography) электрокардиограмма обычно записывается с 12 отведении, однако в некоторых случаях может потребоваться осуществление записи электрокардиограммы с помощью дополнительных отведении (например, с помощью пищеводного отведения или электрода, расположенного на горле, так как это помогает лучше диагностировать наличие у больного аритмии). Векторкардиография (vectorcardiography) является менее распространенным видом электрокардиографии, однако также может выполняться для получения пространственной картины электрической активности сердца.

Электромиография (ЭМГ) - (от электро..., мио... и ...графия), метод исследования биоэлектрических (см. Электрофизиология) потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; [1] регистрация электрической активности мышц. [2]

В 1907 немецкий учёный Г. Пипер (von Piper, H, b. 1877, Elektrophysiologie menschlicher Muskeln, von H. Piper. Berlin, J.Springer, 1912 [3]) впервые применил метод электромиографии по отношению к человеку.[1]

Исследование проводится с помощью

• электромиографа

• электроэнцефалографа (см. Электроэнцефалография), имеющего специальный вход для регистрации ЭМГ. [2]

Электромиограмма (ЭМГ) - кривая, записанная на фотоплёнке,[1] на бумаге с помощью чернильно-пишущего осцилографа или на магнитных носителях. [4]

Амплитуда колебаний потенциала мышцы, как правило, не превышает нескольких милливольт, а их длительность - 20-25 мс. [1]

[править] Направления исследования

• С помощью введённых в мышцу игольчатых электродов. Улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах или в группе мышечных волокон, инервируемых одним мотонейроном. [1]

• С помощью накожных электродов. Отражает процесс возбуждения мышцы как целого. [1]

• Стимуляционная электромиография - при искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную деятельность, определить скорость проведения возбуждения по нерву. [1]

[править] Применение

• В психофизиологии для изучения возрастных закономерностей.[2]

• В медицине для диагностики поражений периферической и центральной нервной системы.[2]

• В физиологии труда и спорта. [2]

• При изучении двигательной функции животных и человека.[1]

• В исследованиях высшей нервной деятельности.[2]

• В инженерной психологии (например, при исследовании утомления, выработки двигательного навыка).[1]

• Для оценки при восстановлении нарушенной двигательной функции в ортопедии и протезировании.[1]

Регистрация электромиограмм производится при различных функциональных пробах: [4]

• в покое

• при тонических напряжениях

• при произвольных сокращениях мышц.

Тоническая ЭМГ возрастает как по амплитуде, так и по частоте при готовности к движению или при мысленном его выполнении, когда собственно движения нет.

Эле́ктрокардиогра́фия — методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Электрокардиография представляет собой относительно недорогой, но ценный метод электрофизиологической инструментальной диагностики в кардиологии.

Прямым результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы (ЭКГ) — графического представления разности потенциалов возникающих в результате работы сердца и проводящихся на поверхность тела. На ЭКГ отражается усреднение всех векторов потенциалов действия, возникающих в определённый момент работы сердца.

История

В XIX веке стало ясно, что сердце во время своей работы производит некоторое количество электричества. Первые электрокардиограммы были записаны Габриелем Липпманом с использованием ртутного электрометра. Кривые Липпмана имели монофазный характер, лишь отдалённо напоминая современные ЭКГ.

Опыты продолжил Виллем Эйнтховен, сконструировавший прибор (струнный гальванометр), позволявший регистрировать истинную ЭКГ. Он же придумал современное обозначение зубцов ЭКГ и описал некоторые нарушения в работе сердца. В 1924 году ему присудили Нобелевскую премию по медицине.

Первая отечественная книга по электрокардиографии вышла под авторством русского физиолога А. Самойлова в 1909 г. (Электрокардиограмма. Йенна, изд-во Фишер).

• Определение частоты и регулярности сердечных сокращений (например, экстрасистолы (внеочередные сокращения), или выпадения отдельных сокращений — аритмии).

• Показывает острое или хроническое повреждение миокарда (инфаркт миокарда, ишемия миокарда).

• Может быть использована для выявления нарушений обмена калия, кальция, магния и других электролитов.

• Выявление нарушений внутрисердечной проводимости (различные блокады).

• Метод скрининга при ишемической болезни сердца, в том числе и при нагрузочных пробах.

• Даёт понятие о физическом состоянии сердца (гипертрофия левого желудочка).

• Может дать информацию о внесердечных заболеваниях, таких как тромбоэмболия лёгочной артерии.

• В определённом проценте случаев может быть абсолютно неинформативна.

• Позволяет удалённо диагностировать острую кардиальную патологию (инфаркт миокарда, ишемия миокарда) с помощью кардиофона Прибор

Как правило, электрокардиограмма записывается на термобумаге. Полностью электронные приборы позволяют сохранять ЭКГ в компьютере. Скорость движения бумаги составляет обычно 25 мм/с. В некоторых случаях скорость движения бумаги устанавливают на 12,5 мм/с, 50 мм/с или 100 мм/с. В начале каждой записи, регистрируется контрольный милливольт. Обычно его амплитуда составляет 10 мм/мВ.

Электроды

Для измерения разности потенциала на различные участки тела накладываются электроды.

Фильтры

Применяемые в современных электрокардиографах фильтры сигнала позволяют получать более высокое качество электрокардиограммы, внося при этом некоторые искажения в форму полученного сигнала. Низкочастотные фильтры 0,5-1 Гц позволяют уменьшать эффект плавающей изолинии, внося при этом искажения в форму сегмента ST. Режекторный фильтр 50-60 Гц нивелирует сетевые наводки. Антитреморный фильтр высокой частоты (35 Гц) подавляет артефакты, связанные с активностью мышц.

Нормальная экг

Соответствие участков ЭКГ с соответствующей фазой работы сердца

Обычно на ЭКГ можно выделить 5 зубцов: P, Q, R, S, T. Иногда можно увидеть малозаметную волну U. Зубец P отображает работу предсердий, комплекс QRS — систолу желудочков, а сегмент ST и зубец T — процесс реполяризации миокарда. Отведения

Каждая из измеряемых разниц потенциалов называется отведением. Отведения I, II и III накладываются на конечности: I — правая рука — левая рука, II — правая рука — левая нога, III — левая рука — левая нога.

Регистрируют также усиленные отведения от конечностей: aVR, aVL, aVF — однополюсные отведения.

При однополюсном отведении регистрирующий электрод определяет разность потенциалов между конкретной точкой электрического поля (к которой он подведён) и гипотетическим электрическим нулём. Однополюсные грудные отведения обозначаются буквой V.

Схема установки электродов V1—V6

Отведения	Расположение регистрирующего электрода
V1	В 4-м межреберье у правого края грудины
V2	В 4-м межреберье у левого края грудины
V3	На середине расстояния между V2 и V4
V4	В 5-м межреберье по срединно-ключичной линии
V5	На пересечении горизонтального уровня 4-го отведения и передней подмышечной линии
V6	На пересечении горизонтального уровня 4-го отведения и средней подмышечной линии
V7	На пересечении горизонтального уровня 4-го отведения и задней подмышечной линии
V8	На пересечении горизонтального уровня 4-го отведения и срединно-лопаточной линии
V9	На пересечении горизонтального уровня 4-го отведения и паравертебральной линии

В основном регистрируют 6 грудных отведений: с V1 по V6. Отведения V7-V8-V9 редко используются в клинической практике, они нужны только для более точных и детальных исследований.

Для поиска и регистрации патологических феноменов «немых» участков миокарда применяют дополнительные отведения (не входящие в стандартный набор):

• Дополнительные отведения Вилсона, расположение электродов и соответственно нумерация, по аналогии с грудными отведениями Вилсона, продолжается в левую подмышечную область и заднюю поверхность левой половины грудной клетки. Специфичны для задней стенки левого желудочка.

• Брюшные отведения предложены в 1954 г. J.Lamber. Специфичны для переднеперегородочного отдела левого желудочка, нижней и нижнебоковой стенок левого желудочка. В настоящее время практически не используются

• Отведения по Небу — Гуревичу. Предложены в 1938 г. немецким учёным W. Nebh. Три электрода образуют приблизительно равносторонний треугольник, стороны которого соответствуют трём областям — задней стенке сердца, передней и прилегающей к перегородке.

Правильное понимание нормальных и патологических векторов деполяризации и реполяризации клеток миокарда позволяют получить большое количество важной клинической информации. Правый желудочек обладает малой массой, оставляя лишь незначительные изменения на ЭКГ, что приводит к затруднениям в диагностике его патологии, по сравнению с левым желудочком.

Электрическая ось сердца — проекция результирующего вектора возбуждения желудочков во фронтальной плоскости (проекция на ось I стандартного электрокардиографического отведения). Обычно она направлена вниз и влево (нормальные значения: 30°...70°), но может и выходить за эти пределы у высоких людей и лиц с повышенной массой тела (вертикальная ЭОС с углом 70°...90°, или горизонтальная — с углом 0°...30°). Отклонение от нормы может означать как наличие каких либо патологий (аритмии, блокады, тромбоэмболия), так и нетипичное расположение сердца (встречается крайне редко). Нормальная электрическая ось называется нормограммой. Отклонения её от нормы влево или вправо — соответственно левограммой или правограммой.

15. Электрогенез (электро- + греч. genesis зарождение, развитие) — возникновение потенциала действия в объектах живой природы, обусловленное комплексом физико-химических процессов, обеспечивающих поддержание неравномерного распределения ионов внутри живой клетки и на поверхности оболочки или быстрое перемещение ионов через мембрану.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) (электро- + греч. encephalos — головной мозг + греч. grapho — писать, изображать) — раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов.

Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга и его реакций при действии раздражителей. Запись ЭЭГ широко применяется в диагностической и лечебной работе (особенно часто при эпилепсии), в анестезиологии, а также при изучении деятельности мозга, связанной с реализацией таких функций, как восприятие, память, адаптация и т. д.

История

Начало изучению электрических процессов мозга было положено Д. Реймоном (Du Bois Reymond) в 1849 году, который показал, что мозг, также как нерв и мышца, обладает электрогенными свойствами.

24 августа 1875 года английский врач Ричард Кэтон (R. Caton) (1842-1926) сделал доклад на заседании Британской медицинской ассоциации. В этом докладе он представил научному сообществу свои данные по регистрации от мозга кроликов и обезьян слабых токов. В том же году независимо от Кэтона русский физиолог В. Я. Данилевский в докторской диссертации изложил данные полученные при изучении электрической активности мозга у собак. В своей работе он отметил наличие спонтанных потенциалов, а так же изменения вызываемые различными стимулами.

В 1882 году И.М. Сеченов опубликовал работу «Гальванические явления на продолговатом мозгу лягушки», в которой впервые был установлен факт наличия ритмической электрической активности мозга. В 1884 году Н. Е. Введенский для изучения работы нервных центров применил телефонический метод регистрации, прослушивая в телефон активность продолговатого мозга лягушки и коры больших полушарий кролика. Введенский подтвердил основные наблюдения Сеченова и показал, что спонтанную ритмическую активность можно обнаружить и в коре больших полушарий млекопитающих.

Начало электроэнцефалографическим исследованиям положил В. В. Правдич-Неминский, опубликовав 1913 году первую электроэнцефалограмму записанную с мозга собаки. В своих исследованиях он использовал струнный гальванометр. Так же Правдич-Неминский вводит термин электроцереброграмма.

Первая запись ЭЭГ человека получена австрийским психиатром Гансом Бергером в 1928 году. Он же предложил запись биотоков мозга называть «электроэнцефалограмма». Работы Бергера, а также сам метод энцефалографии получили широкое признание лишь после того как в мае 1934 года Эдриан (Adrian) и Мэттьюс (Metthews) впервые убедительно продемонстрировали «ритм Бергера» на собрании Физиологического общества в Кембридже.

[Методика

Электроэнцефалограф «Нейровизор-БММ 40»

Регистрация ЭЭГ производится специальными электродами (наиболее распространенные мостиковые, чашечковые и игольчатые). В настоящее время чаще всего используется расположение электродов по международным системам «10—20 %» или «10-10 %». Каждый электрод подключен к усилителю. Для записи ЭЭГ может использоваться или бумажная лента или сигнал может преобразовываться с помощью АЦП и записываться в файл на компьютере. Наиболее распространена запись с частотой дискретизации 250 Гц. Запись потенциалов с каждого электрода осуществляется относительно нулевого потенциала референта, за который принимается мочка уха, или кончик носа. В настоящее время получают все большее распространение перерасчет потенциала относительно взвешенного среднего референта, за который принимается все каналы с определенными весовыми коэффициентами (Lemos, Hjorth). При таком расчете возможные артефакты локализуются, а влияние соседних отведений друг на друга уменьшается.