Метод фиксации напряжения.

Потенциал действия

Потенциал действия – это электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, достигнув некоторого положительного значения – потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя, совершив нечто вроде затухающего колебания.

Новый деполяризующий потенциал может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя. Если в покое мембрана поляризована (т.е. потенциал цитоплазмы отрицателен по отношению к внеклеточной среде), то при возбуждении происходит деполяризация мембраны (потенциал внутри клетки положителен) и после снятия возбуждения происходит реполяризация мембраны.

Характерные свойства потенциала действия:

1) наличие порогового значения деполяризующего потенциала;

2) закон «все или ничего», т.е., если деполяризующий потенциал больше порогового, то развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса; если деполяризующий потенциал меньше порогового, то потенциал действия не развивается;

3) есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения;

4) в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны

 

Роль ионов натрия в генерации потенциала действия

Положительный потенциал реверсии (разность потенциалов, на которую потенциал действия превышает потенциал покоя) имеет натриевую природу, т.к. именно диффузия натрия создает положительную разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.

Можно менять амплитуду импульса потенциала действия, изменяя концентрацию натрия в наружной среде. При уменьшении наружной концентрации натрия амплитуда потенциала действия уменьшается, т.к. меняется потенциал реверсии. Если из окружающей клетку среды полностью удалить натрий, то потенциал действия вообще не возникает. При возбуждении проницаемость мембраны для натрия резко возрастает. Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. После деполяризации мембраны постепенно открываются каналы (поры) в мембране для ионов натрия, а затем они еще более медленно инактивируются.

В покоящемся нервном волокне натриевые каналы закрыты активационными «воротами». Деполяризация мембраны приводит к открыванию этих ворот и усилению ионного тока. Однако затем начинают закрываться инактивационные ворота. Возвращение мембранного потенциала покоя (V = 0) сопровождается закрыванием «ворот», но мембрана остается невосприимчивой к следующей деполяризации (возбуждению), так как инактивационные ворота еще некоторое время остаются закрытыми (рефракторный период).

 

Кинетика ионных потоков.

При возбуждении проницаемость мембраны для натрия резко возрастает. Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли: , где Im – ток через мембрану, Cm – емкость мембраны, ΣIi – сумма ионных токов через мембрану.

Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов калия, натрия и других ионов (в том числе хлора), тока утечки, а также

емкостного тока. Емкостный ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана. Его величина определяется количеством заряда, перетекающего с одной обкладки на другую за единицу времени. Каждый ионный ток определяется разностью мембранного потенциала и равновесного нернстовского потенциала, создаваемого диффузией ионов.

В целом, возбуждение элемента мембраны связано с изменением проводимости мембраны для ионов натрия и калия. Проводимости мембраны сложным образом зависят от мембранного потенциала и времени.

Если в каком-либо участке возбудимой мембраны сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована, возбуждение распространяется на другие участки мембраны.

В областях, близких к возбужденному участку, мембранный потенциал 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.

Величина деполяризующего потенциала, передаваемого от возбужденных участков мембраны, зависит от расстояния: , где V0 – повышение мембранного потенциала в зоне возбуждения; x – расстояние от возбужденного участка; λ – константа длины нервного волокна, равная расстоянию, на котором деполяризующийся потенциал уменьшается в e раз. Константа длины нервного волокна: , где rm – удельное электрическое сопротивление оболочки волокна, δ – толщина оболочки, a – радиус нервного волокна, ri – удельное электрическое сопротивление цитоплазмы.

Чем больше константа длины мембраны, тем больше скорость распространения нервного импульса. Величина λ тем больше, чем больше радиус аксона и удельное сопротивление мембраны и чем меньше удельное сопротивление цитоплазмы.

 

Метод фиксации напряжения.

Метод фиксации напряжения, или кламп метод- электрофизиологическая методика для изучения свойств ионных каналов.

В данном методе используют электронную систему с обратной связью, которая обеспечивает автоматическое поддержание мембранного потенциала. Разность потенциалов по разные стороны мембраны фиксируют на определенном уровне, при этом мембранный потенциал можно ступенчато изменять на строго определенную величину. Такой метод позволяет измерить ионные токи, протекающие сквозь мембрану через каналы, которые активируются при изменении потенциала. В соответствии с законом Ома, если напряжение на мембране постоянно, изменения тока однозначно связано с изменениями проводимости.

В свою очередь, мы можем фиксировать мембранный потенциал на разном уровне и измерять возникающие при этом токи.

Если же использовать растворы с различенным ионным составом, и препараты, избирательно блокирующие тот или иной канал, то можно будет изучать поведение различных ионных каналов, через которые протекают измеряемые нами токи. Метод настолько чувствителен, что позволяет наблюдать поведение и химические превращения единичных молекул, взаимодействующих с мембраной.