МУ «Организация методической работы
в соответствии с ГОСО 2006 года» от
04.07.2007 г
ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК МЕДИЦИНА АКАДЕМИЯСЫ
КАФЕДРА - МЕДИЦИНАЛЫҚ БИОФИЗИКА ЖӘНЕ ИНФОРМАТИКА
Дәріс: Жүйке талшықтарының және басқа қозғыш ұлпалардың әрекет потенциалы. Молекулярлық механизмдері.
ООD 012 МВ 1112 бойынша- МЕДИЦИНАЛЫЌ БИОФИЗИКА
051301 – «ЖАЛПЫ МЕДИЦИНА
051302 – СТОМАТОЛОГИЯ мамандықтары үшін
КУРС - 1
Ұзақтығы 50 минут
Құрастырушы:
доцент, к.м.н.
____________ Ж.Т. Бакеев
Қарағанды 2007 ж.
Кафедра мєжілісінде бекітілген
Хаттама №_____
"____"__________200___ж
Кафедра мењгерушісі, доцент ______________ Б.К. Койчубеков
Дєрістіњ маќсаты: Мембраналыќ потенциалдыњ генезініњ физикалыќ жєне физикалыќ-химиялыќ механизмдерін зерттеу. Мембраналыќ потенциалдардыњ пайда болуыныњ молекулярлыќ негіздерін жєне олардыњ ќозудыњ µткізуіндегі ролін кµрсету. Аќпараттыњ беру жылдамдыѓыныњ аѓзаныњ функционалды ќалпы ‰шін ролдіњ мањыздылыѓын дєлелдеу.
ДЄРІСТІЊ ЖОСПАРЫ
1. Электротоникалыќ потенциалдар жєне локалды жауап.
2. Мембраналардыњ электрохимиялыќ потенциалдарыныњ молекулярлыќ механизмдерін зерттеу єдістері.
3. Єрекет потенциалы.
1. ЭЛЕКТРОТОНИКАЛЫЌ ПОТЕНЦИАЛДАР ЖЄНЕ ЛОКАЛДЫ ЖАУАП.
Мембрана арќылы тоќ аѓатын кезегі ж‰йке жєне б±лшыќ талшыќтарындаѓы мембраналыќ потенциалдардыњ µзгерістер пассивті (электротоникалыќ) жєне белсенді потенциалдарѓа бµлінеді.
Потенциалдыњ электротоникалыќ µзгерістері мембрананыњ пассивті (сызыќты) жєне б‰кіл талшыќтыњ кабельдік ќасиеттерімен аныќталады
Ењ ќарапайым ‰лгі - сфералыќ жасуша
Мембраналыќ потенциалды µлшеу ‰шін ішкі клеткалыќ электродтарды ќолданады. Оњ баѓытталѓан т±раќты тоќ ќосылѓан кезде клеткаѓа кіретін оњ зарядтар мамбарналыќ сыйымдылыќты зарядсыздайды да мембрана деполяризациялайды. Алып кетуші электродпен алѓашќы жылдам тоќтыњ єсерінен пайда болатын жылдам деполяризацияны µлшейді. Біраздан кейін деполяризация аќырындайды, µйткені мембраналыќ потенциал тыныштыќ дењгейінен ауытќан кезде иондардыњ аѓындарыныњ тепе-теідігі б±зылады. Деполяризация болѓанда, клеткадан шыѓатын К+ иондарыныњ саны кµбейеді. Б±л иондардыњ мембрана арќылы электір тоѓымен кіргізілген зарядтардыњі бір бµлігін жояды да деполяризация аќырындайды. Тоќтыњ єсерінен пайда болатын потенциалдыњ ауытќуысы - электротоникалыќ потенциал не электротон деп аталады.
Б±л схема бойынша тоќ біркелкі т‰рде тараѓанда электротоникалыќ потенциалдыњ соњѓы дењгейі, яѓни амплитудасы мембрананыњ иондыќ тоќтарѓа ќарсыласуына (µткізгіштікке ќарама ќарсы шама) пропорционалды. Электротоникалыќ потенциалдыњ µсуініњ жылдамдыѓы ењ басында тек ќана мембрананыњ сыйымдылыѓымен аныќталады, б±л кезде тек ќана сыйымдылыќ тоѓы аѓады. Мембрана арќылы ќарама ќарсы баѓытталѓан иондардыњ аѓыны басталѓан кезде потенциал экспонециалды т‰рде µзгере бастайды. Ол µзгерудіњ кµрсеткіші - t/τ, м±нда t- уаќыт, ал τ - мембрананыњ уаќыттаѓы т±раќты шамасы, ол ќарсыласудыњ сыйымдылыќќа кµбейтіндісіне тењ.
Созылѓан клеткалардааѓы электрон.
Ж‰йке талшыњыныњ диаметрі тек ќана 1 мкм тењ болѓанына ќарамастан, ±зындыѓы 1 метрге дейін жетуі м‰мкін. Б±ндай клетка арќылы µтетін тоќ біркелкі тарамайды. Соныњ нєтижесінде мембраналыќ потенциалдыњ µзгерістері кµршілес н‰ктелерде бірдей болмайды, ал б±л µзгерістердіњ уаќыттаѓы µзгерістерініњ мінезі енді экспотенциалды емес, одан к‰рделі болады.
2. Мембраналардыњ электрохимиялыќ потенциалдарыныњ молекулярлыќ механизмдерін зерттеу єдістері.
2.1 Потенциалдарды бекіту потенциалы.
Потенциалды фиксациялау єдісінде ќ±рамына кері байланыс кіретін электронды басќару схеманы ќолданады, ол мембраналыќ потенциалды берілген дењгейде ±стап т±рады (сурет 5).
Сурет 6 Потенциалды фиксациялау.
Тіркелетін потенциал басќару потенциалымен салыстырылады ал олардыњ арасындаѓы айырмашылыќтар компенсаторлы тоќтыњ кµмегімен жойылады.
Т±раќты кернеуді ±стап т±ру арќылы сыйымдылыќ тоќтарынан айырылу м‰мкіндігін берді:
Мембрананыњ сыртќы мен ішкі ‰стіліктерініњ арасындаѓы т±раќты потенциалдардыњ айырмасын арнайы электронды схема бір ќалыпта ±стап т±рады (сурет 5). Мембрана арќылы аѓатын тоќ тіркеледі.
Б±л ж‰йеде иондыќ тоќтарды тіркеу ‰шін екі микроэлектрод ќолданылады. Біреуі мембраналыќ потенциалды µлшейді, екінші электрод арќылы клеткаѓа тоќ жіберіледі.
Бекіту тоѓы потенциалдыњ берілген дењгейіндегі мембрана арќылы аѓатын тоќтардыњ айнадан шаѓылуы болып табылады.
2.2. Кернеуді локалды (жергілікті) тіркеу єдісі (пэтч-кламп).
Б±л єдіс арќылы биологиялыќ мембраналардыњ иондыќ каналдарын зерттейді. Кернеуді клеткалыќ устілігініњ микроучаскесінде бекітеді жєне жеке иондыќ каналдардыњ тоќтарын тіркейді. Алѓаш рет б±ндай µлшеулерді Э. Неер мен Б. Сакман 1976 жылы µткізген (сурет 7). Шыныдан жасалѓан микропипетка (диаметрі 1 мкм) клеткаѓа келтіріледі. Клеткаѓа теріс ќысым берілгенде пипетка мембрананыњ учаскесімен жабылады да пипетка мен клетка сыртындаѓы ерітіндініњ арасындаѓы электір ќарсыласу 5 Гом-ѓа дейін к‰рт µседі.
Сурет 7. Мембрананыњ потенциалын локалды тіркеу єдісі. МЭ - микроэлектрод, ИК - иондыќ канал, М - клетканыњ мембранасы, СФП - потенциалды бекіту схемасы, I - жеке каналдыњ тоѓы
Кернеу жєне ќоршаѓан ерітінділердегі иондыќ ќ±рамы т‰рлі болѓан кездердегі тоќтардыњ µзгерістері каналдардыњ µткізгіштіктері, жабыќ жєне ашыќ ќалыптардыњ уаќыты жєне каналдардыњ селектівтігі туралы мєліметтер береді жєне иондыќ каналдардыњ ќызмет атќаруыныњ кинетикалыќ ‰лгілерді ќ±руѓа кµмек кµрсетеді. Б±л єдіс т‰рлі фармпрепараттар µз єсерін тигізген кеэдегі каналдардыњ ќ±рылымдыќ-функционалдыќ модификацияларын зерттеуге м‰мкіншілік береді.
2.3. Ќозу кездегі иондыќ тоќтар. Na+ жєне К+ калий тоќтарыныњ уаќыттаѓы таралуы.
Ќозу кездегі пайда болатын деполяризация єр т‰рлі иондар ‰шін мембрананыњ µткізгіштігін µзгертеді, ал µткізгіштіњ ыѓысуы потенциалдыњ µзгеруін шаќырады.
Кальмардыњ аксоны сатылы т‰рде тыныштыќ потенциалан 0 мВ дейін деполяризациялайды. Б±ѓан жауап т‰рде пайда болатын тоќ 4 компоненттен т±рады. Сыйымдылыќ тоѓы Jс - ќысќа уаќыт µмір с‰ретін импульс, ол кернеудін платоѓа шыѓуымен аяќталады. Иондыќ тоќтыњ ќ±рамына екі негізгі компонент (натрийлік жєне калийлік тоќтар) жєне жоѓалатын Je тоѓы кіреді.
кіреді
Натрийлік тоќ кµбінесе натрийдіњ ќысќа уаќытша аѓынмен аныќталады. Б±л тоќ жылдам сµнеді де 1 мс. Ішінде калийлік тоќќа ауысады.
Потенциалды бекіту тєжірибесі арќылы алынѓан эквивалентті схема бойынша натрийлік жєне калийлік каналдар бойынша аѓатын тоќтар келесі тепе-тењдіктерге баѓынады
, 
, (1).
Егер де иондыќ тоќтыњ дамуыныњ кезінде мембраналыќ потенциалды секіріспен жања дењгейге µзгертсек, онда тоќ та секіріспен µзгереді.
Сатылы деполяризация кезінде натрий ‰шін µткізгіштік µте тµмен шамадан бастап жылдам 25 мОм/см2 дейін µседі, содан кейін экспоненциалды т‰рде тµмендейді. а затем экспоненциально уменьшается (слайд 3).
Калий ‰шін µткізгіштік S-т‰рлі ќисыќ сызыќ сияќты µзгереді де т±раќты дењгейге 5-6 минуттыњ ішінде шыѓады. Na+ и К+ ‰шін µткірліктердіњ µзгеруі градуалды жєне ќайтымды. Натрийлік µткізгіштік калийлік µткізгіштікке ќараѓанда 10 есе рет жылдам ќалпына келеді.
3. ЄРЕКЕТ ПОТЕНЦИАЛЫ.
Єрекет потенциалдары мембрана 50 мВ дейін деполяризацияланѓанда генерациялайды. Деполяризация єрекет потенциалдыњ тууына келтіретін потенциалдыњ дењгейі шектік деп аталады.
єрекет потенциалдарды кµбінесе Ходжкин мен оныњ ќызметкерлері зерттеген. Олар кальмардыњ µте ірі аксондарында пайда болатын єрекет потенциалдарды микроэлектродтар мен жоѓарыомдыќ кернеуді µлшеушілердіњ кµмегімен жєне белгіленген атомдар єдісімен зерттеген (сурет 3)
Сурет 3. Трансмембраналыќ потенциалдар µзгергендегі мембрананыњ электір сипаттамаларына тигізетін єсерін зерттеу барысындаѓы тєжірибеніњ схемасы
Тєжірибеде аксонѓа енгізілген екі микроэлектрод ќолданылады. Бірінші микроэлектрод стимул береді, оѓан тік б±рышты импульстердіњ генераторынан импульс беріледі, ал мембраналыќ потенциал екінші микроэлектродќа ќосылѓан жоѓарыомдыќ кернеуді тіркеушімен µлшенеді. Стимулдыњ шамасынан тєуелді келесі потенциалдар тіркеледі (сурет 4).
Сурет 4. Трансмембраналыќ потенциалдыњ реверсиясы жєне єрекет потенциалыныњ тууы.
Ќозу импульсы тек ќана ќысќа уаќытќа мембраналыќ потенциалдыњ ыѓысуын туѓызады. Ол тез жойылып кетеді де тыным потенциалы ќалпына келеді. Егер де импульстыњ амплитудасыныњ белгісі оњ болса, импульс депоризациялайтын болып аталады, егер де оныњ шамасы шектік шамасынан жоѓары болса мембраналыќ потенциал жедел µседі де µз белгісін ауысытыра алады (сурет 4).
Ќозу µткеннен кейін мембранада єлі 3-4 мс іздік ќ±былыстар саќталады (гиперполяризациялыќ потенциалдар), б±л уаќыттыњ ішінде мембрана рефрактерлі болады (ќозымайды).
Шамасы шектік дењгеінен жоѓары стимулдыњ єсерінен пайда болатын мембрананыњ деполяризациясына жауап болып келесі потенциал тууы м‰мкін, ол тек ќана мембрана тыным ќалпына келгеннен кейін басталады. Єрекет потенциалы деполяризациялайтын потенциалдыњ амплитудасынан тєуелсіз (егер де ол шектік шамасынан жоѓары болса).
Импульс дамыѓан кездегі мембраналыќ потенциалыныњ реверсиясы мембрананыњ спайкыныњ щыњында мембрана натрий иондары ‰шін селективті µткір болѓандыќтан пайда болады, иондыќ µткірліктердіњ ќатынасы келесі т‰рде болады: РК:РNa=1:20.
Келесі формуланы ќолданып:
(1).
жєне РNa>>РК екендігін біліп отыпып, мембранадаѓы потенциал 
натрийлік тепе-тењ потенциалына жаќындайтындыѓын аныќтаймыз. Тек ќана натрий иондары ‰шін µткір мембранадаѓы потенциалдардыњ айырмасы Нернсттіњ тењдеуінен есептеледі:
(2).
Б±л формуламен есептелген потенциалдыњ шектік шамасы +55мВ тењ.
Б±л нєтижелер егер де мембраналыќ потенциалды толыќ формула арќылы есептесек те саќталады:
(3).
Тыным ќалыпта:
РК:РNa:РСl=1:0,04:0,45, ал ќозѓан кезде єрекет потенциалыныњ шыњында, мембрана арќылы нµльдік тоќ шарты саќталѓанда РК:РNa:РСl=1:20:0,45.
Мембраналыќ потенциалдыњ µзгерістерін эквивалентті электір тізбегі арќылы да сипаттауѓа болады (сурет 5). Б±л схема арќылы µлшенетін мембраналыќ потенциал (2 мен 0 н‰ктелердіњ арасында не клетканыњ сыртќы жєне ішкі орталарыныњ арасында) электроќозѓаушы к‰штеріныњ єсеріне пайда болады. Єр б±таќтаѓы тоќ келесі т‰рде есептеледі:
(4).
м±нда gi - берілген ионныњ т‰рі ‰шін мембрананыњ µткірлігі, 
- берілген иондары ‰шін тепе-тењ потенциалы, ал 
- мембранадаѓы жалпы потенциал.
Сурет 5. Ќозатын мембрананыњ элементініњ эквивалентті схемасы
Т±йыќталмаѓан тізбекте баѓыт т±раќты болѓанда тоќтардыњ ќосындысы нµлге тењ болады. Сондыќтан, мембраналыќ потенциал ‰шін келесі µрнекті алуѓа болады:
(5).
м±нда gM - мембрананыњ ќосынды µткізгіштігі:
(6).
(6) µрнектен мембраналыќ потенциалдыњ мєні мембраналыќ µткізгіштігі максималды иондарымен аныќталатындыѓы кµрінеді.
Ќозу процесі иондардыњ µткірліктерініњ мембраналыќ потенциалынан тєуелдігі болѓандыќтан дамиді. Мембрананыњ натрий иондары ‰шін µткірлігі µскен кезде натрий иондары мембраныњ ішіне ±мтылады да деполяризация єр ќарай дамиді.
Б±л процесс потенциал натрийлік тепе-тењ потенциалына жаќындаѓанша жалѓасады. Б±л жаѓдайда натрийдіњ сыртќа жєне ішке аѓындары тењдеседі. Б±дан кейін К+ ‰шін µткірлік µседі де К+ иондары клеткадан электрохимиялыќ градиентімен шыѓа бастайды. К+ шыѓуы мембранадаѓы потенциал калий ‰шін тепе-тењ потенциалына жаќындаѓанда тоќтайды.
Ќозудыњ мембраналыќ теориясын перфузияланатын аксондармен тєжірибелер дєлелдеген.
Єдебиет
1. Антонов В.Ф., Черныш А.М., В.И. Пасечник и др. Биофизика. М., Владос, 2000
2. Антонов В.Ф., А.В. Коржуев Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов. - М.:ГЭОТАР-Медиа, 2007 - 240 с.
3. Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М., Медицина, 1983.
4. Рубин А.Е. Биофизика: Биофизика клеточных процессов 2- том. - М. Книжный дом “Университет”, 2000 - 468 с
5. Медицинская биофизика, ред. Самойлов В.О., Л., 2004, 478c.
6. Беркинблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в
живых организмах. М.: Наука, 1988. 98 с.
7. Коган А.Б. Электрофизиология. М.: Высш. школа,
1969. 368 с.