ЭЛЕКТРОҚОЗУ ҰҒЫМЫ. ТЫНЫШТЫҚ ПОТЕНЦИАЛЫ

ЭЛЕКТР ҚОЗУ ҰҒЫМЫ. ТЫНЫШТЫҚ ПОТЕНЦИАЛЫ Құрастырған: Тоқабаева Г.К.

ЭЛЕКТРОҚОЗУ ҰҒЫМЫ. ТЫНЫШТЫҚ ПОТЕНЦИАЛЫ.     Қозатын ұлпаларға жүйке, бұлшық және безді  ұлпалар жатады. Олар қозушының әсеріне  қозудың пайда болуымен жауап береді. Қозу ­ әрекет потенциалының генерациясы,  оның таралуы және сол потенциалға ұлпаның  спеуцификалық жауабы – медиатордың не  секреттің квантының шығуы. Ұлпалар мен клеткаларда келесі электір  потенциалдардың айырмалары болуы мүмкін:

1) тотықтану­қалпына келу потенциалдары – бір  молекулалардан басқа молекулалаэлектрондардың  тасуының әсерінен; 2) мембраналық – иондардың концентрация  градиентінің әсерінен және иондардың мембрана  арқылы тасымалдануының әсерінен. Ағзадағы тіркелетін биопотенциал көбінесе  мембраналық болады (сурет 1).

Сурет 1. Трансмембраналық потенциалдың генерацисының  үш тәсілін бейнелейтін, схема. In vivo иондардың  биомембраналар арқылы тасымалдауы тасымалдаушы­ ақуыздардың көмегімен асырылады.. Егер де мембрана тек қана жалғыз бір ион үшін өткір болса,  трансмембраналық потенциал пайда болады.  Иондардың стационарлы ағыны трансмембраналық  потенциалдың пайда болуына әкеледі. Мембрана арқылы  иондар энергиядан тәуелді иондық насостың көмегімен  тасымалдана алады, бірақ бұнымен қатар электір  бейтарапты сақтау үшін мембрана арқылы басқа иондар да  тасымалдану керек. Егер де қарсылас иондардың  диффузиясы жылдам ақса, иондық насостың жұмысының  нәтижесінде зарядтардың бөлінуі және трансмембраналық  потенциалдың пайда болуы байқалмайды.

Мембраналық потенциал дегеніміз мембрананың  сыртқы және ішкі (цитоплазмалық) үстіліктерінің  арасындағы потенциалдардың айырмасы: Мембраналық потенциалдары тыным және әрекет  потенциалдарына бөлінеді. Мембраналық потенциалды тіркеу әдістері Биопотенциалдарды зерттеуіндегі прогресс келесі  шарттармен белгіленген: 1) клетка ішіндегі потенциалдардың микроэлектродты  әдісінің өңдеуімен; 2) биопотенциалдардың арнайы күшейткіштерінің  өңдеуімен; 3) ірі клеткаларды зерттеу үшін сәтті объектілерді таңдау  (кальмардың өте ірі аксоны, диаметрі 0,5 мм).

Кальмардың өте ірі аксонына микроэлектрод енгізіледі  (сурет 2). Екінші электрод – салыстыру электрод  клетканың сыртқы үстілігінің манындағы ерітіндіде  орналасады. Тіркеуші құрылғы Р мембраналық  потенциалды өлшейді.

Сурет1. Биопотенциалдарды өлшеуінің микроэлектродты  әдісі: а – шыны микропипетка; б ­ шыны микроэлектрод; в – мембраналық потенциалды тіркеу схемасы Түрлі органеллалардағы мембраналарындағы потенциалды  өлшеу үшін келесі әдістер өңделген.

1)Нернстің теңдеуіне сәйкес иондардың таралуы.  Жүйеге мембрана арқылы өте алатын ионды қосады,  ол сыртқы орта мен ішкі көлемде Нернстің теңдеуіне  сәйкес тарайды. Бұл принципке сүйене отырып,  молекулярлы зондтар ретінде гидрофобты иондарды  (ТФФ+ немесе 86Rb­валиномицин) қолданады.  Трансмембраналық потенциалды анықтау үшін  везикула ішіндегі ионның концентрациясын білу керек,  көптеген жағдайда ол қиын мәселе болып табылады.  2)Спин­белгіленген ЭПР­зондтар. Бұл мақсатпен  бірнеше зондтар алынады – құрамында парамагнитті  нитроксилды топ болатын, гидрофобты иондар.  Мембранамен байланған зондтың концентрациясы  ЭПР спектірінен табылады.  3)Оптикалық молекулярлы зондтар. Ең белгілі  зондтар – мероцианиннің, оксонолдың туындылары  және цианинді бояутыштар.

Тыным потенциалының пайда болуының молекулярлық  механизмдері. Тірі ұлпалардағы электір потенциалдың пайда болу  механизмдері жайлы ұғымдардың негізінде Аррениустың  электролитикалық теориясы және Гиббс пен Блумның  гальваникалық элемент теориясы жатады. В.Ю. Чаговец  (1896) және Окер­Блум (1901) бір­бінен тәуелсіз келесі  болжауды ойлап шығарған: биоэлектрлік құбылыстар  клеткалар қозған кездегі диффузиялық потенциалдардың  пайда болуымен анықталады. Освальд (1890 ж.) және Бернштейн бұл процесстер жайлы  басқаша ойлаған.

Бұлшықтың тыным потенциалының түрлі жағдайлардан  тәуелдігін қарастырғанда, Нернстің концентрациялық  тізбектердің теориясына сәйкес, потенциал абсолютты  температураға пропорционалды екендігі көрсетілді. Бірақ протоплазманың құрамына жоғары концентрациялы  К+ және төмен концентрациялы Na+ мен Cl­ кіреді.   Иондардың протоплазмадағы қалпы К+ иондары протоплазмада көбінесе бос қалыпта  орналасады. Бернштейннің болжауы бойынша протоплазма –  бұл иондардың бос ерітіндісі.

Бұл фактты 1953 жылы Ходжкин мен Кейнос дәлелдеді.  Олар 42К қолданып, кальмардың өте ірі аксонында электір  күштерінің әсерінің нәтижесінде клетка ішіндегі калий  клетканың сыртындағы калий сияқты бос қалыпта болады.  Қанқалық бұлщық еттің клеткаларында калий иондарының  белсенділік коэффициенті қарапайым электролиттердің су  ерітіндідегі сол иондардың белсенділік коэффициентіне  жақын екендігі анықталған. Натрий иондары үшін басқаша нәтижеге келген. Түрлі  клеткалардағы натрий иондарының протоплазмадағы  белсенділік коэффициенттері клетканың сыртындағы  ерітіндімен салыстырғанда, екі есе төмен екендігі  анықталған. Сонымен, Калий иондарының көбісі клеткада  бос қалыпта болады, ал натрий жартылай байланған. Ca2+ иондары толығымен байланған қалыпта болады  (кальмардың аксонының аксоплазмасында 400 мкМ Ca+ ­дің  тек қана 0,3 мкМ иондық түрде болады).

Иондағы сырттағы концентрациясының өзгеруінің  эффектілері. Бернштейннің гипотезасы потенциалдардың  трансмембраналық айырмасының K+ иондарның сыртқы  және ішкі концентрацияларының ара қатынасының  логарифмінен тәуелдігін болжаған. Тыным қалыпта мембрананың өткірлігі К+ үшін Na.+­мен  салыстырғанда жоғарылау болады. К+ аксоплазмадан  сыртқа диффузиясының нәтижесінде жүйке талшықтың іші  сыртқы ерітіндіге қарағанда теріс зарядталған. Ол тұрақты  потенциалдардың айырмасы – тыным потенциалы (50­70  мВ). Егер де мембрана тек қана калий иондары үшін өткірлі  болса, тепе­тең потенциалдардың айырмасы калийлік  электроды үшін Нернсттың теңдеуімен анықталған мәнге  жету шеді:

мұнда ­ К+ үшін тепе­тең потенциал. К+ қандағы концентрациясы 20 мМ ал кальмардың  аксоплазмасында 400 мМ болғанда, есептелген мәні 75 мВ  болады. Расында да интакты аксондарда 70 мВ тең тыным  потенциалды тіркейді. Сондықтан бұл жағдайда мембрана  К+­ электродқа ұқсайды. Бірақ ондай тәуелдік тек қана сырттағы калийдің  концентрациясы жоғары болғанда (20 мМ астам) байқалады.  [K] 0 төмен болғанда ­нің ln[K0][Ki] тәуелдіктің қисық  сызығы теориядан ауытқиды. Калийдің сыртқы  концентрациялары қалыпты болған облысында бұл ауытқу  аса жоғары екендігі байқалады.

Штейнбах және Шпигельманның мәліметтері бойынша  (1943) бұл жағдайда кальмардың өте ірі аксондарында М  шамасы 75 мВ болады, ал тыным потенциалы 50­70 мВ  болады. Миелинді жүйке талшықтарында калий  иондарының ішкі концентрациясы 120 мМ тең деп алынады.  Егер де [К]0 = 2,5 мМ болса бұл талшықтардың М шамасы  97,5 мВ тең болады. өлшенген тыным потенциалы 70 не 75  мВ тең болады. Бұл ауытқулардың бәрін түсіндіру үшін Ходжкин және  Катц келесі болжау ойлап шығарды. Қозатын  құрылымдардың тыным потенциалы тек қана калийдің емес,  онымен қатар натрийдің және хлордың тепе­тең  потенциалдарымен анықталады.

Егер де Рк шамасы РNa және РСl шамаларынан едәуір  жоғары болса, потенциал калийлік тепе­тең потенциалына  жақын болады. Ал егер де мембрананың РNa жоғары болса,  Na+ кіру ағыны күшейеді де трансмембраналық  потенциалдардың айырмасы ­ден төмендеу болады. Сондықтан тыным потенциалының ортадағы К+  концентрациясынан тәуелдігі Гольдманның тұрақты  өрісінің теориясынан алынған Гольдманның теңдеуімен  сипатталады:

Тыным қалыпта мембрананың біртекті учаскесінде  қосынды иондық тоқ келесі түрде есептеледі: Бірақ бұл қалыпта Cl­ таралуы тепе­тең таралуға  жақын болады, яғни хлордың клеткадан және  клеткаға бағытталған ағындары тең болады. Бұл  жағдайда нөльдік тоқтың шарты келесі түрге дейін  жеңілдетіледі: және тыным потенциалы келесі формуламен  есептеледі:

Теңдеуге К+, Na+, Cl­ протоплазмадағы  концентрацияларының белгілі мәндерін кіргізгенде  Ходжкин және басқалар келесі тәуелдікке келді: теңіз  толқынның ерітіндісінде орналасқан тыным қалыптағы  өте ірі жүйке талшықтағы өткірлік константалардың ара  қатынасы келесі түрде болады: РК:РNa:РCl=1:0,04:0,45. Бұл қатынастан келесі қорытынды шығады: тыным  жағдйдағы мембранадағы потенциал К+ үшін тепе­тең  потенциалға жақындайды, өйткені натриймен  салыстырғанда калий үшін өткірлік коэффициенті  едәуір жоғары (РК:РNa=1:0,04).

ӘРЕКЕТ ПОТЕНЦИАЛЫ.  Әрекет потенциалы – жүйке не бұлшық еттің клеткалары  белсенді болған кездегі мембраналық потенциалдың оң  бағыттағы жедел ауытқуы. Типтік әрекет потенциалдары 1  суретінде келтірілген. Бүкіл жағдайларда потенциал тыным потенциалының теріс  шамасынан оқ шегіне дейін (30 мВ) жылдам жоғарылайды

Сурет 1. Түрлі клеткалардағы әрекет потенциалдары.  Ордината: клетканың ішіндегі мембраналық  потенциалының амплитудасы; абсцисса: әрекет потенциалы  басталғаннан кейінгі уақыт (Физиология человека. Ред. Р.  Шмидта и Г. Тевса, 1996) Сонымен, әрекет потенциалы – мембрананың иондық  өткзгіштігінің өзгеруімен шартталған және жүйке не  бұлшық талшығының бойымен қозу толқынның таралуымен  байланысты электір импульсы. Әрекет потенциалы бірнеше фазалардан тұрады (сурет 2).  Оң бағытталған жедел ауытқу фазасы – ұлғаю фазасы (0,2­ 0,5 мс).

Сурет 2. Нейрондағы әрекет потенциалының уақыттық  жүрісі әрекет потенциалының тізбектік фазалары.  (Физиология человека. Ред. Р. Шмидта и Г. Тевса, 1996) Бұл фазада мембрана өз қалыпты зарядың  (поляризациясын) жоғалтады, сондықтан оны  деполяризация стадиясы деп атайды. Деполяризация  нөльдік сызықтан өтеді де оң белгілі болады.  Потенциалдың оң фазасы овершут деп аталады.  Шыңнан кейінгі келетін фаза реполяризация деп  аталады. Бұл фазада мембрананың потенциалы  қалпына келеді.

Реполяризацияның соңғы учаскесі кейбір потенциалдар үшін баяу  жүреді. Әрекет потенциалы басталғаннан кейін 1 мс. кейін  реполяризация қисық сызығының бүктелуі байқалады, сонынан  келетін өзгерістер деполяризациялық іздік потенциалы деп аталады.  Басқа ұлпаларда, мысалы, нейрондарда деполяризацияның қисық  сызығы тыным потенциалдың деңгейінен әр қарай жедел өтіп кетеді  де потенциалдың теріс шамасы бастапқы тыным потенциалмен  салыстырғанда жоғарылау болып қалады. Бұл құбылыс  гиперполяризациялық іздік потенциалы деп аталады. Әрекет потенциалды генерациялау. Әрекет потенциалдары мембрана 50 мВ дейін  деполяризацияланғанда генерациялайды. Деполяризация әрекет  потенциалдың тууына келтіретін потенциалдың деңгейі шектік деп  аталады.

Әрекет потенциалдарды көбінесе Ходжкин мен оның  қызметкерлері зерттеген. Олар кальмардың өте ірі  аксондарында пайда болатын әрекет потенциалдарды  микроэлектродтар мен жоғарыомдық кернеуді  өлшеушілердің көмегімен және белгіленген атомдар әдісімен  зерттеген (сурет 3) Сурет 3. Трансмембраналық потенциалдар өзгергендегі  мембрананың электір сипаттамаларына тигізетін әсерін  зерттеу барысындағы тәжірибенің схемасы

Тәжірибеде аксонға енгізілген екі микроэлектрод  қолданылады. Бірінші микроэлектрод стимул береді, оған  тік бұрышты импульстердің генераторынан импульс  беріледі, ал мембраналық потенциал екінші  микроэлектродқа қосылған жоғарыомдық кернеуді  тіркеушімен өлшенеді. Стимулдың шамасынан тәуелді  потенциалдар тіркеледі. Қозу импульсы тек қана қысқа уақытқа мембраналық  потенциалдың ығысуын туғызады. Ол тез жойылып кетеді де  тыным потенциалы қалпына келеді. Егер де импульстың  амплитудасының белгісі оң болса, импульс  депоризациялайтын болып аталады, егер де оның шамасы  шектік шамасынан жоғары болса мембраналық потенциал  жедел өседі де өз белгісін ауысытыра алады.

Қозу өткеннен кейін мембранада әлі 3­4 мс іздік  құбылыстар сақталады (гиперполяризациялық  потенциалдар), бұл уақыттың ішінде мембрана рефрактерлі  болады (қозымайды). Шамасы шектік деңгеінен жоғары стимулдың әсерінен  пайда болатын мембрананың деполяризациясына жауап  болып келесі потенциал тууы мүмкін, ол тек қана мембрана  тыным қалпына келгеннен кейін басталады. Әрекет  потенциалы деполяризациялайтын потенциалдың  амплитудасынан тәуелсіз (егер де ол шектік шамасынан  жоғары болса).

Әдебиет    Антонов В.Ф., Черныш А.М., В.И. Пасечник и  др. Биофизика. М., Владос, 2000 Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М.,  Медицина, 1983. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей  патологии. – СПб:ЭЛБИ, 1999.      Рубин А.Е. Биофизика: Биофизика  клеточных процессов 2­ том. – М. Книжный  дом “Университет”, 2000 – 468 с Медицинская биофизика, ред. Самойлов В.О.,  Л., Воениздат, 1986, 478c.