Утверждено на заседании кафедры
Составитель- Сидорова О.Н.
Владивосток 2008
Тема 1. Биоэлектрические явления в возбудимых тканях
Время: 2 часа.
Мотивационно-воспитательная характеристика темы: в клинике широко используются методы исследования биоэлектрических процессов различных органов (электрокардиография, электроэнцефалография и др.). Для анализа полученных данных необходимо знать механизмы, лежащие в основе биоэлектрических явлений.
Учебная цель: уяснить сущность процесса возбуждения, роль различных ионов и мембраны клетки в формировании биопотенциалов, значение исследования биоэлектрических явлений в практической деятельности врача
Содержание занятия
| Этапы занятия | Цель данного этапа | Время |
| 1. Вводный контроль | Проверка исходного уровня знаний с помощью тестового контроля | 10 мин. |
| 2. Опрос-беседа | Разбор темы по предложенным вопросам с коррекцией исходного уровня | 25 мин. |
| 3. Самостоятельная работа студентов с консультациями преподавателя | Закрепление теоретических знаний при выполнении практических заданий, анализ полученных результатов, формулировка выводов, оформление протоколов практических работ | 45 мин. |
| 4 Завершающий этап | Оценка знаний и умений при решении ситуационных задач и проверке протоколов | 10 мин. |
Вопросы для самоподготовки:
1. Понятие возбудимых тканей, их свойства.
2. Характеристика раздражителей
3 Развитие учения о биопотенциалах
4 Ионно-мембранная теория происхождения биопотенциалов.
5. Характеристика местного возбуждения.
6. Фазы и ионные механизмы потенциала действия
7 Свойства потенциала действия.
Домашнее задание:
1.Записать классификацию раздражителей.
2.Записать основные отличия местного возбуждения от распространяющегося.
. 3.Зарисовать кривую потенциала действия, обозначить фазы и периоды ПД.
Самостоятельная работа на занятии:
| Название работы | Объект | Программа действия | Ориентировочные основы действия |
| 1. Опыты Гальвани (демонстрация) | Нервно-мышечный препарат лягушки | а) Первый опыт Гальвани: на нерв нервно-мышечного препарата действуют гальваническим пинцетом, наблюдают за сокращением мышцы. б) Второй опыт Гальвани: Делается надрез мышцы нервно-мышечного препарата. Нерв набрасывается стеклянным крючком на мышцу таким образом, чтобы он одновременно коснулся поврежденного и неповрежденного участка мышцы. При этом наблюдается сокращение мышцы. | В первом опыте Гальвани сокращение мышцы обусловлено действием тока, возникшем между разноименными металлами гальванического пинцета. Во втором опыте Гальвани сокращение мышцы обусловлено наличием разности потенциалов между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, то есть между наружной и внутренней поверхностью, что доказывает существование потенциала покоя в живых тканях. |
| 2. Выявление токов действия посредством реоскопической лапки или нервно-мышечного препарата (опыт Маттеучи) | Два нервно-мышечных препарата лягушки | Нерв второго препарата помещают на мышцу первого. Биостимулятором раздражают нерв первого препарата, наблюдают за сокращением мышцы первого и второго препаратов. | Сокращение мышцы первого препарата является результатом возникновения распространяющегося возбуждения (потенциала действия), распространение потенциала действия привело к возбуждению и сокращению мышцы второго препарата. |
| 3. Выявление токов действия сердца лягушки посредством реоскопической лапки | Сердце и реоскопическая лапка лягушки | Сердце лягушки освобождают от перикарда, набрасывают на него нерв реоскопической лапки, стараясь прикоснуться к поверхности миокарда концом отсеченного нерва. Следят за сокращением мышцы реоскопической лапки. | Миокард генерирует потенциал действия (благодаря автоматии), который является раздражителем для нерва реоскопической лапки и приводит к сокращению мышц лапки. |
Вопросы для самоконтроля:
1. Как заряжена мембрана клетки в состоянии покоя?
2. Какие ионы имеют главное значение в формировании потенциала покоя?
3. Каково значение калий-натриевого насоса?
4. Как изменится мембранный потенциал при повышении проницаемости мембраны для
ионов натрия?
5. Как изменится мембранный потенциал при повышении концентрации калия в
межклеточном веществе.?
6. Что отражает критический уровень деполяризации?
7. За счёт каких ионов осуществляется перезарядка мембраны?
8. За счёт каких ионов осуществляется реполяризация мембраны?
9 Какие термины отражают изменение мембранного потенциала в сторону уменьшения и увеличения?
10. Какие свойства характеризуют местное возбуждение?
Тестовый контроль:
1 Внутренняя поверхность мембраны возбудимой клетки по отношению к наружной в состоянии физиологического покоя заряжена: 1) положительно; 2) так же, как и наружная мембрана; 3) не заряжена; 4) отрицательно.
2. Уменьшение величины мембранного потенциала покоя при действии раздражителя называется: 1) гиперполяризацией; 2) реполяризацией; 3) деполяризацией; 4)экзальтацией.
3, Увеличение мембранного потенциала покоя называется: 1). гиперполяризацией; 2) деполяризацией; 3) реполяризацией; 4) экзальтацией.
4. В цитоплазме нервных и мышечных клеток по сравнению с наружным раствором выше концентрация ионов: 1) хлора; 2) калия; 3) натрия; 4) кальция.
5. Молекулярный механизм, обеспечивающий выведение из цитоплазмы ионов натрия и введение в цитоплазму ионов калия, называется: 1) критический уровень деполяризации; 2) натриевый селективный канал; 3) натриево-калиевый насос; 4) мембранный потенциал действия.
6. В фазу быстрой деполяризации потенциала действия проницаемость мембраны увеличивается для ионов: 1) натрия; 2) калия; 3) магния; 4) серы.
7. Движение каких ионов играет главную роль в формировании потенциала покоя? 1) ионы натрия; 2) ионы калия; 3) ионы кальция; 4) ионы хлора.
8. В какой части потенциала действия преобладает движение ионов калия? 1) в восходящей части потенциала действия; 2) на вершине пика ПД; 3) во время нисходящей части ПД.
9. Как изменится мембранный потенциал при увеличении проницаемости для ионов натрия? 1) увеличится; 2) не изменится; 3) уменьшится.
10. Как изменится мембранный потенциал при увеличении проницаемости для ионов хлора? 1) увеличится; 2) не изменится; 3) уменьшится
Ответы: 1-4; 2-3; 3-1; 4-3; 5-3; 6-1; 7-2; 8-3; 9-3; 10-1
Ситуационные задачи:
1. Как убедиться, что при раздражении нерва нервно-мышечного препарата в нём возникает возбуждение?
2. Что произойдет с возбудимой клеткой, если на неё подействовать веществом, блокирующим работу дыхательных ферментов?
3. Что можно ожидать от мембранного потенциала при абсолютной непроницаемости клеточной мембраны для ионов?
4. При измерении величины потенциала покоя микроэлектродным методом со временем наблюдается снижение потенциала. Чем это можно объяснить?
5. Как повлияет на возникновение потенциала действия повышение концентрации ионов натрия внутри клетки?
Ответы:
1. При возникновении возбуждения в нерве нервно-мышечного препарата произойдет сокращение мышцы.
2. Дыхательные ферменты участвуют в окислительных процессах, сопровождающихся образованием энергии, необходимой для работы калий-натриевого насоса, обеспечивающего поддержание градиента концентраций ионов по обе стороны мембраны. А так как функционирование возбудимой клетки связано с поляризацией её мембраны, обусловленной движением ионов по градиенту концентраций, то прекращение работы калий-натриевого насоса приведет к выравниванию концентраций ионов и прекращению их диффузии, что вызовет снижение потенциала до нуля и прекращение функции клетки
3. Главным механизмом формирования мембранного потенциала является диффузия ионов калия из клетки в межклеточное пространство. Если бы мембрана была абсолютно непроницаема для ионов, то мембранный потенциал возникнуть не мог бы (равнялся бы нулю).
4. При микроэлектродном методе электрод вводится внутрь клетки, прокалывая мембрану. В поврежденном участке появляется отверстие, через которое происходит утечка ионов, что ведет к снижению потенциала.
5. Потенциал действия возникает благодаря движению ионов натрия в клетку по градиенту концентраций. Повышение концентрации натрия в клетке снижает этот градиент, что вызывает уменьшение или прекращение диффузии натрия, а следовательно, уменьшение потенциала действия или его отсутствие.
Литература:
А) Основная:
1. Физиология человека. Учебник. /Под ред. В.М.Покровского, Г.Ф.Коротько.- М.: Медицина, 2003, с.39-58
2. Физиология человека. / Под ред. Н.А. Агаджаняна, В.И.Циркина.- СПб: СОТИС, 1998, 2000, 2002, с 8 - 18
3. Физиология человека..Учебник. /Под ред. В.М.Смирнова. М.:Медицина, 2002, с.43-61
4. Руководство к практическим занятиям по нормальной физиологии /Под ред.С.М.Будылиной, В.М.Смирнова- М: Издательский центр «Академия», 2005, с.8-17
5. Руководство к практическим занятиям по физиологии / Под ред. Г.И.Косицкого и В.А Полянцева.- М.: Медицина, 1988, с.72-85.
Б) Дополнительная:
1. Основы физиологии человека. /Под ред. Б.И.Ткаченко.- СПб,1994, т.1, с.37 - 43, 47 - 55.
2. Физиология человека. /Под ред. Г.И.Косицкого.- М.: Медицина, 1985, с. 19 - 32, 35 - 36.
3.Физиология человека. /Под ред. Р.Шмидта, Г.Тевса,- М.: Мир, 1996, т.1, с.26 - 40, 83 – 87
4.Физиология. Основы и функциональные системы: курс лекций./ Под ред. К.В.Судакова – М.: Медицина, 2000, с.39-53
5.Руководство к практическим занятиям по физиологии / Под ред. К.В.Судакова- М, 2002, с. 55-66.
6.Основы физиологии человека / Под ред. Н.А.Агаджаняна- М: изд-во РУДН, 2001, с.15-25
7.Орлов Р.С., Ноздрачев А.Д. Нормальная физиология. Учебник- ГЭОТАР-Медиа,2005,с.32-33
8.Избранные вопросы клинической психологии / Под ред. Ю.В.Каминского. Т.1.: Нормальная анатомия, физиология и патология нервной системы.- Владивосток, Медицина ДВ,2006, с.215-220
Краткое теоретическое содержание темы:
1.1. Возбудимые ткани и их свойства.
Любая живая ткань способна реагировать на различного рода воздействия и изменять свою текущую функциональную активность. Это общее свойство всех живых тканей называют раздражимостью. Однако только высокоорганизованные ткани реагируют на действие раздражителей процессом возбуждения, характеризующегося волнообразными изменениями электрического потенциала мембраны клетки, в результате чего она переходит в активное состояние. Такие ткани называют возбудимыми. К ним относятся нервная, мышечная и железистая ткани. Все возбудимые ткани обладают следующими свойствами:
- возбудимость, т.е. способность к возбуждению. Возбудимость ткани меняется в различных условиях. Она может быть повышенной (супернормальной), пониженной (субнормальной), а может отсутствовать(в этом случае говорят о рефрактерноститкани, которая , в свою очередь, может быть абсолютной и относительной ).
- проводимость – способность к распространению возбуждения.
- Функциональная лабильность(подвижность) – определяется количеством возбуждений в единицу времени.
Каждая возбудимая ткань имеет и специфические свойства: для мышечной ткани – это сократимость, для нервной- проведение нервного импульса, для железистого эпителия – выделение секрета. Для того, чтобы ткань проявила свои свойства, на неё надо подействовать раздражителем.
1.2. Характеристика раздражителей. Порог раздражения.
Раздражители- это факторы внешней или внутренней среды , способные вызвать ответную реакцию живого образования. Для этого они должны быть достаточной силы и действовать определенное время. По силе различают:
- пороговый раздражитель – это наименьшая сила раздражителя, необходимая для возникновения ответной реакции;
- подпороговый раздражитель, сила которого ниже пороговой;
- сверхпороговый раздражитель (сила выше пороговой).
По пороговой силе раздражителя судят о возбудимости ткани: снижение порога свидетельствует о повышении возбудимости и наоборот. Следовательно,порог раздражения (минимальная сила, вызывающая ответную реакцию) служит критерием оценки возбудимости. По биологическому значению раздражитель может быть адекватным (если он воздействует в естественных условиях на определенные рецепторы) и неадекватным. Адекватный раздражитель способен вызвать возбуждение в минимальной дозе. По происхождению раздражители делят на механические, температурные, химические и т.д. Особое место в физиологии возбуждения занимает электрический ток, так как его легко дозировать, он не повреждает живую ткань, действие его обратимо. Кроме того, сам процесс возбуждения имеет электрическую природу.
1.3. Происхождение биопотенциалов.
Во второй половине 18 века благодаря работам итальянского ученого Л.Гальвани и его последователей стало известно о существовании «животного электричества» или биопотенциалов. Было выяснено, что мембрана живой клетки, находящейся в состоянии покоя, поляризована: её внутренняя поверхность заряжена отрицательно, а наружная – положительно. Этот потенциал называют мембранным потенциалом (МП) или потенциалом покоя. Величина мембранного потенциала в различных тканях колеблется от 60 до 90 мв. Происхождение мембранного потенциала объясняется мембранно-ионной теорией Ю.Бернштейна (1902г.) в модификации А.Ходжкин и А. Хаксли (1952г.). Согласно этой теории биоэлектрические явления обусловлены разностью (градиентом) концентраций ионов калия, натрия, хлора и др.внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них мембраны клетки.
1.4. Строение и функции возбудимой мембраны.
Согласно современным представлениям клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя , а гидрофильные направлены в водную фазу; такая структура идеально подходит для образования раздела двух сред: вне- и внутриклеточной. В двойной слой фосфолипидов погружены глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул. Одним из важнейших свойств клеточной мембраны является её избирательная проницаемость, связанная с открытием и закрытием селективных ( специализированных) ионных каналов, пропускающих определенный вид ионов. В каждом канале существуют 2 типа ворот: быстрые активационные и медленные инактивационные. Второе важнейшее свойство мембраны- электровозбудимость - проявляется в способности к открытию и закрытию селективных ионных каналов в ответ на изменение мембранного потенциала.
1.5. Мембранный потенциал клетки.
Концентрация ионов калия в клетке почти в 50 раз выше, чем за клеткой, а натрия и хлора больше за клеткой, чем в клетке. Согласно законам диффузии происходит пассивный транспорт ионов по градиенту концентраций: калий стремится выйти из клетки, а натрий- зайти в клетку. Однако мембрана клетки обладает различной проницаемостью для этих ионов. В состоянии покоя мембрана больше проницаема для ионов калия, чем для натрия и анионов. Поэтому в покое преобладает движение ионов калия из клетки над входом в клетку ионов натрия. Калий в клетке находится в связанном состоянии с анионами, которых мембрана не пропускает, и они сосредоточиваются на внутренней поверхности мембраны, обусловливая её отрицательный заряд. А калий, выходя из клетки, сосредоточивается на наружной поверхности мембраны, обеспечивая ей положительный заряд. Таким образом, в состоянии покоя внутренняя поверхность клеточной мембраны заряжена отрицательно, а наружная – положительно. Заряд мембраны клетки, находящейся в состоянии покоя, носит названиепотенциал покоя или мембранный потенциал клетки. Главная роль в формировании потенциала покоя принадлежит ионам калия. Но если бы потенциал покоя был обусловлен только выходом ионов калия из клетки, то он был бы равен 97,5 мв ( это равновесный потенциал, рассчитанный по формуле Нернста), но такого потенциала не имеет ни одна клетка, что свидетельствует о том, что в состоянии покоя мембрана пропускает в клетку небольшое количество натрия , а также хлора. Следовательно, величина исходного (мембранного) потенциала зависит от того, насколько движение ионов калия из клетки преобладает над входом в клетку ионов натрия. Чем выше соотношение между выходом калия и входом натрия, тем выше мембранный потенциал. Выход же калия зависит от градиента концентраций калия по обе стороны мембраны. И если бы существовал только пассивный транспорт ионов, то он неизбежно привел бы к выравниванию концентраций, а следовательно, и к исчезновению потенциала. Поэтому наряду с пассивным транспортом существует активный транспорт (калий-натриевый насос), осуществляющий движение ионов против градиента концентраций: калия – в клетку, а натрия – из клетки. При этом затрачивается энергия АТФ. Благодаря калий-натриевому насосу восстанавливается градиент концентраций ионов и поддерживается потенциал покоя.
Таким образом, прохождение ионов через мембрану, их асимметричное распределение по обе стороны мембраны и связанный с этим электрический потенциал осуществляется посредством 2-х механизмов: 1 – свободной диффузией ионов по концентрационному и электрохимическому градиенту; 2 – с помощью натрий- калиевого насоса.
1.6. Изменение мембранного потенциала при действии раздражителя.
При нанесении раздражения мембранный потенциал меняется, что связано с изменением проницаемости мембраны. При увеличении проницаемости для ионов натрия ( открытие активационных натриевых каналов) натрий начинает поступать в клетку быстрее и в большем количестве, чем в состоянии покоя, что приводит к снижению исходного потенциала. Это явление ( снижение мембранного потенциала) называется деполяризацией мембраны. Деполяризация характеризует процесс возбуждения. При повышении проницаемости для ионов хлора или калия наблюдается увеличение мембранного потенциала, которое носит название гиперполяризации мембраны; данное явление характерно для торможения.
Возбуждение может существовать в двух формах: 1 – местное возбуждение ( или локальный ответ) , которое не дает видимого ответа. 2 - распространяющееся возбуждение ( или потенциал действия) – это истинное возбуждение, приводящее к ответной реакции.
3.7.Местное возбуждение
Это возбуждение возникает при действии раздражителя подпороговой силы (от 0,5 до 0,9 пороговой). Если действует раздражитель ниже 0,5 порогового, не возникает даже местного возбуждения, в данном случае возможно только пассивное изменение мембранного потенциала под электродом (электротонический потенциал), проницаемость мембраны при этом не изменяется . При местном возбуждении проницаемость мембраны для ионов натрия увеличивается , что приводит к деполяризации мембраны, но она не доходит до того критического уровня, который нужно достичь, чтобы возник потенциал действия. Для большинства тканей он равен ( - 50 мв). Таким образом, критический уровень деполяризации – это уровень, отделяющий местное возбуждение от распространяющегося. И хотя местное возбуждение не дает видимой ответной реакции, свойства мембраны при этом меняются.
Свойства местного возбуждения:1- градуальность, т.е зависимость от силы раздражителя. Чем ближе сила раздражителя к пороговой величине, тем деполяризация ближе к критическому уровню; 2- не распространяется или распространяется с декрементом, то есть с затуханием; 3 – способность к суммации. При неоднократном действии подпороговых раздражителей в результате суммации достигается критический уровень деполяризации, тогда местное возбуждение переходит в потенциал действия; 4- повышенная возбудимость.
3.8. Потенциал действия
Потенциал действия (ПД) или распространяющееся возбуждение возникает при действии пороговых или сверхпороговых раздражителей, а также в результате суммации подпороговых стимулов, когда достигается критический уровень деполяризации. Возбуждение –это процесс, характеризующийся волнообразными изменениями электропотенциалов на мембране.( рис. )
Выделяют несколько фаз потенциала действия:
- скрытый ( латентный) период или местное возбуждение, когда деполяризация доходит до критического уровня.
- Деполяризация – дальнейшее снижение исходного потенциала до нуля, а затем перезарядка мембраны ( до + 30 мв.), что регистрируется в виде пика или спайка.
- Пик ПД ещё называют овершут или инверсия, т.к при этом заряд меняется на противоположный (внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно, а наружная – отрицательно). Восходящая часть ПД имеет большую крутизну ( длится от 0,01 до 0,03 сек.), что обусловлено лавинообразным поступлением в клетку ионов натрия. Во время пика блокируются быстрые натриевые каналы и начинается обратный процесс.
- Реполяризация - восстановление мембранного потенциала вследствие восстановления проницаемости для ионов калия и натрия. Реполяризация или нисходящая часть ПД связана с выходом из клетки ионов калия. Но восстановление исходного потенциала происходит сравнительно медленно, при этом регистрируются следовые потенциалы
- Следовая деполяризация или следовой отрицательный потенциал – связан с восстановлением проницаемости для натрия. При этом потенциал близок к критическому уровню.
- Следовая гиперполяризация или следовой положительный потенциал обусловлен выходом ионов калия из клеткии работой натриевого насоса, осуществляющего активное выведение натрия ,поступившего в клетку в процессе возбуждения.
Свойства потенциала действия: 1 – возникает при достижении критического уровня деполяризации; 2- не зависит от силы раздражителя ( если сила подпороговая – ПД не возникает, пороговая или сверхпороговая- ПД возникает не зависимо от силы, подчиняется закону « всё или ничего»); 3 – не способен к суммации; 4 – не обратим; 5 – распространяется без затухания (без декремента).