La forma del potencial de acción nos permite dividir el proceso de su generación en varias fases: potenciales de pre-pico, despolarización rápida, repolarización y trazas (fig. 2.3).
Arroz. 2.3.
Pre-pico - es un proceso de despolarización lenta de la membrana, que comienza con la primera desviación del potencial de reposo y finaliza con la consecución de KUD. El pico previo incluye despolarización pasiva de la membrana y una respuesta local activa. Una respuesta activa ocurre cuando la despolarización pasiva de la membrana alcanza el 70-80% de los valores de KUD y es la primera manifestación del estado activo inicial de la membrana: el comienzo de su excitación. Debido a la despolarización pasiva y una respuesta activa local, el cambio de potencial en la membrana alcanza un nivel crítico de despolarización, en el que se desarrolla la propia EP.
Fase rápido(avalancha) despolarización La membrana es la primera fase de la EP. En esta etapa, el potencial de membrana cambia rápidamente del nivel crítico de despolarización a cero y continúa subiendo hasta el pico G1D, recargando la membrana. Durante la primera fase de la EP, el potencial de la membrana se "pervierte"; la membrana se descarga a cero y se recarga con el signo contrario. La sección de DP con valores desde cero hasta el pico de recarga se llama excederse(ing, excederse) potencial. En lugar de valores negativos, el potencial a través de la membrana se vuelve positivo. En el axón del calamar gigante, el pico AP alcanza valores del orden de +50 mV, y la fase de despolarización con rebasamiento dura alrededor de 0,5 ms.
Fase repolarización es la segunda fase de la EP. Durante esta fase, el potencial a través de la membrana vuelve a su valor original, es decir. al potencial del descanso. Esta fase se puede subdividir en repolarización rápida de +50 mV a 0 V y repolarización más lenta de 0 V a KUD y más al potencial de reposo. La fase de repolarización dura entre 1 y 2 ms.
Rastrear potenciales en algunos casos puede desarrollarse al final de la PA en forma de despolarización lenta o incluso hiperpolarización lenta. Se observa una hiperpolarización de trazas, en particular, en la membrana del axón del calamar gigante.
Naturaleza iónica de las fases del potencial de acción. fue estudiado en experimentos con axones de calamar gigante por Hodgkin y Huxley. Resultó que en el momento de la generación de AP, la resistencia eléctrica de la membrana del axón durante un período de 1-2 ms disminuye 20-30 veces, g. la conductividad de la membrana aumenta bruscamente y la corriente comienza a fluir a través de la membrana. Pero, ¿qué es esta corriente? Resultó que si elimina los cationes Na + de la solución externa y los reemplaza con sacarosa, entonces la amplitud del potencial de acción disminuye drásticamente o AP no aparece en absoluto. Esto permitió concluir que el principal motivo de la generación de AP y la recarga de la membrana a valores positivos es la aparición de una alta permeabilidad de la membrana a los cationes de sodio y la rápida entrada de estos cationes en la célula.
El movimiento del sodio hacia adentro ocurre bajo la influencia de dos fuerzas. La primera fuerza está asociada con la presencia de un gradiente de concentración transmembrana de cationes de sodio. La concentración de sodio en la solución externa es 20-30 veces mayor que en el interior, es decir, el gradiente de concentración de Na + se dirige al interior de la célula y, en presencia de suficiente permeabilidad, los cationes de sodio entrarán rápidamente en la célula. La segunda fuerza está asociada con la presencia de una gran carga negativa en el lado interno de la membrana (aproximadamente -70 mV). Una carga negativa en el interior de la membrana facilitará la entrada de cationes de sodio cargados positivamente en la célula. Al ingresar, los cationes de sodio primero reducirán rápidamente la carga negativa de la membrana a cero y luego recargarán la membrana a valores positivos, acercando el valor del potencial de membrana al potencial de equilibrio para el Na +. Recuerde que el potencial de equilibrio para los cationes Na "se puede calcular usando la ecuación de Nernst y es +55 mV para el axón del calamar gigante.
Los resultados de los experimentos con tetrodotoxina, un bloqueador de la permeabilidad del sodio dependiente del voltaje, testifican a favor de la participación de la corriente de sodio entrante en la creación de la fase de despolarización de la EP. La tetrodotoxina puede bloquear completamente el desarrollo de G1D (Fig. 2.4, a).
Arroz. 2.4. Cambios en la EP que surgen de la acción sobre la membrana de bloqueadores selectivos de la permeabilidad al sodio - tetrodotoxina (s) o permeabilidad al potasio - tetraehylammonium (B)
Así, la hipótesis del sodio explica satisfactoriamente el desarrollo de la fase de despolarización de la PA, pero deja abierta la cuestión de las causas de la psiolarización, es decir. fase de la EP, que conduce al retorno del potencial de membrana al nivel del potencial de reposo. Se sugirió que se desarrolla otro proceso en la membrana: aumenta su permeabilidad a los iones de potasio. Estaba claro que se trata de una permeabilidad al potasio activa especial, diferente de la permeabilidad pasiva al potasio que existe en la membrana en reposo (fuga pasiva de potasio). La permeabilidad adicional al potasio de la membrana se produce solo en respuesta a la despolarización de la membrana a un nivel crítico y con un ligero retraso en comparación con un aumento de la permeabilidad al sodio. En el caso de tal permeabilidad activa adicional al potasio, los cationes K * comienzan a salir de la célula bajo la acción de un gradiente de concentración y una carga en la membrana creada por la entrada avanzada de cationes de sodio. Los cationes de Na + entrantes cargan el lado interno de la membrana positivamente y el externo negativamente. La corriente de salida adicional de cationes de potasio reducirá la carga positiva creada por la corriente de sodio dentro de la celda y devolverá la carga eléctrica de la membrana a sus valores originales, es decir, al potencial del descanso.
La participación de la corriente de potasio saliente en la creación de la fase de repolarización de la EP fue apoyada por los resultados de los experimentos que utilizaron un bloqueador de la permeabilidad activa del potasio, el tetraetilamonio. El tetraetilamonio ralentiza drásticamente el curso de la fase de repolarización AP (Fig. 2.4, B).
Si la EP es el resultado de la aparición y desarrollo de dos nuevas corrientes iónicas en la membrana, que estaban ausentes en reposo, a saber, las corrientes de sodio y potasio, entonces, en consecuencia, durante la despolarización, se abren nuevos canales iónicos activados por potencial en la membrana. Estos canales pasan primero sodio y luego potasio. Las propiedades de dichos canales pueden entenderse analizando el desarrollo de corrientes que surgen durante su funcionamiento. Pero estas corrientes deben registrarse "en su forma pura", es decir, no complicado por cambios simultáneos en el potencial en la membrana y corrientes capacitivas de la membrana. Para ello, Hodgkin y Huxley, en sus experimentos con axones de calamar gigante, fueron los primeros en utilizar el método de fijar el potencial en la membrana (eng, pinza de tensión).
Método de sujeción de potencial de membrana Consiste en conectar un sistema de dos amplificadores a la membrana del axón. Un amplificador está diseñado para registrar cambios del potencial de membrana, el segundo funciona según el principio de retroalimentación negativa. Se insertan dos microelectrodos de alambre en el axón. Uno de ellos mide los cambios de potencial de membrana y los alimenta a un amplificador de retroalimentación negativa. Este amplificador (que monitorea los cambios de potencial en la membrana y genera corrientes) en la salida está conectado al segundo microelectrodo intracelular: la corriente. A través de este microelectrodo se suministrará una corriente que se podrá medir en el circuito externo de un electrodo indiferente ubicado fuera del axón.
Si ahora despolarizamos artificialmente la membrana a KUD, entonces, en respuesta, las corrientes activadas por potencial comienzan a fluir a través de la membrana excitada: sodio y potasio. Los cambios de potencial de membrana creados por estas corrientes son monitoreados instantáneamente por un amplificador de retroalimentación, que envía corrientes de igual amplitud pero dirigidas de manera opuesta a través del microelectrodo de corriente: se produce una retroalimentación. Tales "corrientes de sujeción" mantienen (fijan) la membrana de cambios de potencial y son, en esencia, una imagen especular de las corrientes de Na + y K +. Las corrientes de sujeción se pueden medir fácilmente en el circuito externo del circuito (fig. 2.5).
Arroz. 2.5.
(abrazadera de voltaje):
utilizando un amplificador de retroalimentación, el electrodo de corriente pasa la corriente de sujeción, que es una imagen especular de las corrientes transmembrana
En la Fig. 2.6 muestra los datos obtenidos mediante el método de sujeción potencial. Cuando la membrana se despolariza de -65 a -9 mV, la membrana se excita, lo que se acompaña de la generación de una corriente bifásica. Se puede ver que primero aparece una corriente entrante rápida, que decae y es reemplazada por una corriente saliente que se desarrolla más lentamente. Resultó que la corriente entrante se puede bloquear por completo con tetrodotoxina, un bloqueador selectivo de los canales de sodio dependientes del voltaje. De esto se deduce que la corriente entrante es la corriente de sodio.
La corriente saliente, que también surge en respuesta a la despolarización, se conserva y revela en su forma pura. Esta corriente se desarrolla con un ligero retraso, crece más lentamente, pero no se desvanece y persiste durante todo el tiempo de despolarización. Está completamente bloqueado por tetraetilamonio, un bloqueador de los canales de potasio potencialmente activado y, por lo tanto, es una corriente de K + potencialmente activada. Así, utilizando el método de fijación potencial y el uso de bloqueadores selectivos de las corrientes de sodio y potasio, fue posible separar e identificar por separado dos corrientes que surgen durante la generación de AP, para mostrar su independencia entre sí y analizar cada una de ellas. .
Arroz. 2.6.
a - desplazamiento del potencial de membrana en 56 mV y fijarlo en -9 mV;
6 - corriente de dos fases (entrada temprana y salida tardía) en respuesta a la sujeción potencial al nivel de -9 mV; v- separación farmacológica de dos corrientes utilizando bloqueadores de sodio (tetrodotoxina) y potasio (tetraetilamonio)
Entre la superficie exterior de la célula y su citoplasma en reposo, hay una diferencia de potencial de aproximadamente 0,06-0,09 V, y la superficie de la célula está cargada electropositivamente con respecto al citoplasma. Esta diferencia de potencial se llama potencial de reposo o potencial de membrana. Una medición precisa del potencial de reposo solo es posible con la ayuda de microelectrodos diseñados para la extracción de corriente intracelular, amplificadores muy potentes y dispositivos de grabación sensibles: osciloscopios.
El microelectrodo (Fig. 67, 69) es un capilar de vidrio delgado, cuya punta tiene un diámetro de aproximadamente 1 μm. Este capilar se llena con solución salina, se sumerge un electrodo metálico en él y se conecta a un amplificador y un osciloscopio (Fig. 68). Tan pronto como el microelectrodo perfora la membrana que cubre la celda, el haz del osciloscopio se desvía hacia abajo desde su posición original y se fija en un nuevo nivel. Esto indica la presencia de una diferencia de potencial entre las superficies externa e interna de la membrana celular.
El origen del potencial de reposo se explica más completamente mediante la llamada teoría iónica de membrana. Según esta teoría, todas las células están cubiertas por una membrana que tiene una permeabilidad desigual a varios iones. En este sentido, dentro de la célula en el citoplasma hay de 30 a 50 veces más iones de potasio, de 8 a 10 veces menos de iones de sodio y 50 veces menos de iones de cloro que en la superficie. En reposo, la membrana celular es más permeable a los iones de potasio que a los iones de sodio. La difusión de iones de potasio cargados positivamente desde el citoplasma a la superficie celular imparte una carga positiva a la superficie de la membrana externa.
Así, la superficie celular en reposo tiene una carga positiva, mientras que la cara interna de la membrana está cargada negativamente debido a los iones de cloro, los aminoácidos y otros aniones orgánicos grandes, que prácticamente no penetran a través de la membrana (Fig.70).
Potencial de acción
Si una sección de una fibra nerviosa o muscular se expone a un estímulo suficientemente fuerte, entonces surge una excitación en esta sección, que se manifiesta en una oscilación rápida del potencial de membrana y se denomina potencial de acción.
El potencial de acción se puede registrar con electrodos aplicados a la superficie exterior de la fibra (cable extracelular) o con un microelectrodo insertado en el citoplasma (cable intracelular).
Con el plomo extracelular se puede encontrar que la superficie del área excitada durante un período muy corto, medido en milésimas de segundo, se carga electronegativamente con respecto al área de reposo.
La causa del potencial de acción es un cambio en la permeabilidad iónica de la membrana. Con la irritación, aumenta la permeabilidad de la membrana celular a los iones de sodio. Los iones de sodio tienden al interior de la celda porque, en primer lugar, están cargados positivamente y son atraídos hacia adentro por fuerzas electrostáticas y, en segundo lugar, su concentración dentro de la celda es baja. En reposo, la membrana celular era poco permeable a los iones de sodio. La irritación cambió la permeabilidad de la membrana y el flujo de iones de sodio cargados positivamente desde el ambiente externo de la célula hacia el citoplasma excede significativamente el flujo de iones de potasio desde la célula hacia el exterior. Como resultado, la superficie interna de la membrana se carga positivamente y la externa, debido a la pérdida de iones de sodio cargados positivamente, negativamente. En este momento, se registra el pico del potencial de acción.
El aumento de la permeabilidad de la membrana a los iones de sodio dura muy poco tiempo. Después de esto, ocurren procesos de restauración en la célula, lo que lleva al hecho de que la permeabilidad de la membrana para los iones de sodio disminuye nuevamente y para los iones de potasio aumenta. Dado que los iones de potasio también están cargados positivamente, entonces, al salir de la célula, restauran la relación original fuera y dentro de la célula.
La acumulación de iones de sodio dentro de la célula durante la excitación repetida no ocurre porque los iones de sodio se evacuan constantemente debido a la acción de un mecanismo bioquímico especial llamado "bomba de sodio". También hay datos sobre el transporte activo de iones de potasio utilizando la "bomba de sodio-potasio".
Así, según la teoría membrana-iónica, la permeabilidad selectiva de la membrana celular es de decisiva importancia en el origen de los fenómenos bioeléctricos, lo que determina una diferente composición iónica en la superficie y en el interior de la célula y, en consecuencia, una diferente carga de estas superficies. Cabe señalar que muchas disposiciones de la teoría de la membrana iónica aún son controvertidas y requieren un mayor desarrollo.
Potencial de acción (AP)- se trata de grandes amplitudes a corto plazo y cambios en el MPS que surgen durante la excitación. La razón principal de la EP es un cambio en la permeabilidad de la membrana para los iones.
Consideremos el desarrollo de la EP usando una fibra nerviosa como ejemplo. La DP se puede registrar insertando uno de los electrodos en la fibra o colocando ambos electrodos en su superficie. Rastreemos el proceso de formación de AP utilizando el método intracelular.
1. En reposo, la membrana está polarizada y el MPS es de 90 mV.
2. Tan pronto como comienza la excitación, el valor de este potencial disminuye (esta disminución se llama despolarización). En algunos casos, el potencial de los lados de la membrana se invierte (el llamado sobreimpulso). Esta es la primera etapa de la DP: despolarización.
3. La etapa de repolarización, en la que la magnitud de la diferencia de potencial cae casi al nivel inicial. Estas dos fases están en el pico de la EP.
4. Después del pico, se observan trazas de potenciales - trazas de despolarización e hiperpolarización de trazas (hiperpolarización - un aumento en la diferencia de potencial entre los lados de la membrana). Por ejemplo, era de 90 mV y se convierte en 100 mV.
La EP se desarrolla muy rápidamente, en unos pocos milisegundos. Parámetros del PD: 1) carácter variable, ya que cambia la dirección del movimiento actual, 2) un valor que, por sobreimpulso, puede exceder el MPS; 3) el tiempo durante el cual se desarrolla la EP y sus etapas individuales: despolarización, repolarización, hiperpolarización de trazas.
Cómo se forma la EP. En reposo, las "puertas" de los canales de Na + dependientes de voltaje están cerradas. Las "puertas" de los canales de K + dependientes de la tensión también están cerradas.
1. Durante la fase de despolarización, se activa la canalización de Na +. En este caso, el estado conformacional de las proteínas que forman la "puerta" cambia. Estas "puertas" se abren y la permeabilidad de la membrana al Na + aumenta varios miles de veces. La lava de Na + está incluida en la fibra nerviosa. Actualmente, los canales de K + se están abriendo muy lentamente. Por lo tanto, entra mucho más Na + en la fibra que el K + que se extrae de ella.
2. La repolarización se caracteriza por el cierre de los canales de Na +. La "puerta" en la superficie interna de la membrana está cerrada: la inactivación de los canales se observa bajo la influencia de los potenciales eléctricos. La inactivación es más lenta que la activación. Actualmente, la activación de los canales de K + se está acelerando y la difusión de K + hacia el exterior está aumentando.
Por tanto, la despolarización se asocia principalmente con la entrada de Na + en la fibra, y la repolarización se asocia con la liberación de K + de la misma. La relación entre la entrada de Na + y la salida de K + cambia durante el desarrollo del AP: al comienzo del AP, Na + ingresa varios miles de veces más de lo que se obtiene K +, y luego se libera más K + que Entra Na +.
La causa de los potenciales traza es un cambio adicional en la relación entre estos dos procesos. Durante la hiperpolarización de vigilia, muchos canales de K + todavía están abiertos y K + continúa saliendo.
Recuperación de gradientes iónicos tras DP. Los AP individuales cambian muy poco la diferencia en las concentraciones de iones en la fibra nerviosa y fuera de ella. Pero en los casos en los que pasa un número significativo de impulsos, esta diferencia puede ser bastante significativa.
La restauración de los gradientes iónicos se produce debido a la intensificación del trabajo de Na + / K + -HacociB: cuanto más se perturba este gradiente, más intensamente funcionan las bombas. Esto usa la energía del ATP. Parte de ella se libera en forma de calor, por lo que en estos casos se observa un aumento a corto plazo de la temperatura de la fibra.
Condiciones necesarias para la aparición de la EP. La EP ocurre solo bajo ciertas condiciones. Los irritantes que actúan sobre la fibra pueden ser diferentes. La corriente eléctrica continua se usa con más frecuencia. Es de fácil dosificación, pequeñas lesiones en el tejido y el más cercano de esos irritantes que existen en los organismos vivos.
¿En qué condiciones se puede aplicar el zoom de corriente directa a la aparición de la EP? La corriente debe ser lo suficientemente fuerte, actuar durante un tiempo determinado y su ascenso debe ser rápido. Finalmente, la dirección de la corriente (la acción del ánodo o cátodo) también es importante.
Dependiendo de la fuerza, se distingue un subumbral (insuficiente para la ocurrencia de excitación), un umbral (suficiente) y una corriente supraumbral (excesiva).
A pesar de que la corriente subumbral no causa excitación, todavía despolariza la membrana, y esta despolarización es mayor cuanto mayor es su voltaje.
La despolarización que se desarrolla en este caso se llama respuesta local y es un tipo de excitación local. Se caracteriza por el hecho de que no se propaga, su magnitud depende de la fuerza de la irritación (relaciones de poder cerradas: cuanto mayor es la fuerza de la irritación, más activa la respuesta). Con una respuesta local, aumenta la excitabilidad del tejido. La excitabilidad es la capacidad de responder a la irritación y entrar en un estado de excitación.
Si la fuerza del estímulo es suficiente (umbral), entonces la despolarización alcanza un cierto valor, llamado nivel crítico de despolarización (Ek). Para una fibra nerviosa recubierta de mielina, Ek es aproximadamente 65 mV. Así, la diferencia entre MPS (E0), que en este caso es de 90 mV, y Ek es de 25 mV. Este valor (DE = E0-Ek) es muy importante para caracterizar la excitabilidad del tejido.
Cuando E0 aumenta durante la despolarización, la excitabilidad es mayor y, a la inversa, una disminución de E0 durante la hiperpolarización conduce a su disminución. DONDE puede depender no solo del valor de E0, sino también del nivel crítico de despolarización (Ek).
En el umbral de la fuerza del estímulo, se produce la EP. Esta ya no es una excitación local, es capaz de extenderse a grandes distancias, está sujeta a la ley del "todo o nada" (con un aumento en la fuerza del estímulo, la amplitud AP no crece). La excitabilidad con el desarrollo de la EP está ausente o está significativamente reducida.
La EP es uno de los indicadores de la excitación, un proceso fisiológico activo mediante el cual las células vivas (nerviosas, musculares, glandulares) responden a la irritación. Durante la excitación, el metabolismo y el cambio de temperatura celular, se altera el equilibrio iónico entre el citoplasma y el entorno externo, y se producen otros procesos.
Además de la intensidad de la corriente continua, la aparición de DP también depende de la duración de su acción. Existe una relación proporcional inversa entre la fuerza de la corriente y la duración de su acción. La corriente subumbral, incluso con una exposición muy prolongada, no provocará excitación. La corriente por encima del umbral, si la acción es demasiado corta, tampoco provocará excitación.
Para que ocurra la excitación, también se requiere una cierta tasa (inclinación) de aumento de corriente.
Si aumenta la intensidad de la corriente muy lentamente, Ek cambiará y es posible que E0 no alcance su nivel.
La dirección de la corriente también es importante: la DP ocurre cuando la corriente se cierra solo cuando el cátodo se coloca en la superficie exterior de la membrana y el ánodo está en la celda o fibra. Cuando pasa la corriente, el MF cambia. Si el cátodo se encuentra en la superficie, entonces se desarrolla la despolarización (aumenta la excitabilidad) y si el ánodo está hiperpolarizado (la excitabilidad disminuye). El conocimiento de los mecanismos de acción de la corriente eléctrica sobre los objetos vivos es sumamente necesario para el desarrollo y aplicación de métodos de fisioterapia en la clínica (diatermia, UHF, hiperhidrosis, etc.).
Cambio en la excitabilidad con la EP. Con una respuesta local, la excitabilidad aumenta (DE disminuye). Los cambios en la excitabilidad durante la propia EP pueden notarse si se irrita repetidamente en diferentes etapas del desarrollo de la EP. Resulta que durante el pico, incluso la estimulación repetida muy fuerte permanece sin respuesta (un período de absoluta refractariedad). Luego, la excitabilidad se normaliza gradualmente, pero aún es más baja que la inicial (período de refractariedad relativa).
Con una despolarización de trazas pronunciada, la excitabilidad es más alta que la inicial, y con un potencial de trazas positivo, la excitabilidad vuelve a disminuir. La refractariedad absoluta se explica por la inactivación de los canales de Na + y un aumento en la conductividad de los canales de K + -. Con relativa refractariedad, los canales de Na + - se activan nuevamente y la verdad de los canales de K + - disminuye.
La naturaleza de dos fases de la DP. Por lo general, en condiciones en las que el microelectrodo está contenido dentro de una celda o fibra, se observa un AP monofásico. Se produce una imagen diferente en los casos en que ambos electrodos se encuentran en la superficie exterior de la membrana: registro bipolar. La excitación, que es una onda de electronegatividad, que se mueve a lo largo de la membrana, primero alcanza un electrodo, luego se coloca entre los electrodos, finalmente alcanza el segundo electrodo y luego se propaga más. En estas condiciones, la DP tiene un carácter de dos fases. El registro de DP se usa ampliamente en la clínica para el diagnóstico.
Biopotenciales.
El concepto y tipos de biopotenciales. La naturaleza de los biopotenciales.
La razón del surgimiento del potencial para el descanso. Potencial estacionario de Goldmann.
Condiciones para la emergencia y fases del potencial de acción.
Mecanismo de generación de potencial de acción.
Métodos de registro e investigación experimental de biopotenciales.
Conceptos y tipos de biopotenciales. La naturaleza de los biopotenciales.
Biopotenciales- cualquier diferencia de potencial en los sistemas vivos: diferencia de potencial entre la célula y el medio ambiente; entre las áreas excitadas y no excitadas de la célula; entre partes del mismo organismo que se encuentran en diferentes estados fisiológicos.
Diferencia de potencial-gradiente electrico- un rasgo característico de todos los seres vivos.
Tipos de biopotenciales:
Potencial de reposo(PP) - una diferencia de potencial que existe constantemente en los sistemas vivos, característica del estado estacionario del sistema. Está respaldado por enlaces metabólicos que fluyen constantemente.
Potencial de acción(PD) es una diferencia de potencial que emerge rápidamente y desaparece nuevamente, característica de los procesos transitorios.
Los biopotenciales están estrechamente relacionados con los procesos metabólicos, por lo tanto, son indicadores del estado fisiológico del sistema.
La magnitud y la naturaleza de los biopotenciales son indicadores de cambios en la célula en la salud y la enfermedad.
Hay un grupo numeroso métodos de diagnóstico electrofisiológico basado en el registro de biopotenciales (ECG, EMG, etc.).
El origen de los biopotenciales se basa en la distribución asimétrica de iones en relación con la membrana, es decir, diferentes concentraciones de iones en diferentes lados de la membrana. Causa inmediata- diferente tasa de difusión de iones a lo largo de sus gradientes, que está determinada por la selectividad de la membrana.
Biopotenciales- potenciales iónicos, predominantemente de naturaleza de membrana - esta es la posición principal Teoría de la membrana de los biopotenciales(Bernstein, Hodgkin, Katz).
La razón del surgimiento del potencial para el descanso. Potencial estacionario de Goldmann.
Bomba de sodio: crea y mantiene un gradiente de concentración de iones de sodio y potasio, regulando su entrada y excreción de la célula.
En reposo, la célula es permeable principalmente a los iones de potasio. Se difunden a lo largo de un gradiente de concentración a través de la membrana celular desde la célula hasta el líquido circundante. Los grandes aniones orgánicos contenidos en la célula no pueden atravesar la membrana. Por tanto, la superficie exterior de la membrana está cargada positivamente y la superficie interior está cargada negativamente.
El cambio en las cargas y la diferencia de potencial en la membrana continúa hasta que las fuerzas que causan el gradiente de concentración de potasio se equilibran con las fuerzas del campo eléctrico que surge, por lo tanto, se alcanza un estado estacionario del sistema.
La diferencia de potencial a través de la membrana en este caso es: potencial de descanso.
La segunda razón para la aparición de un potencial de reposo es la electrogenicidad de la bomba de potasio-sodio.
Definición teórica de potencial de reposo:
Teniendo en cuenta solo la permeabilidad al potasio de la membrana en reposo, el potencial de reposo se puede calcular a partir de a la ecuación de Nernst:
R - constante universal de gas
T - temperatura absoluta
F - Número de Faraday
CON iK- la concentración de potasio dentro de la célula
C eK- la concentración de potasio fuera de la célula
De hecho, además de los iones de potasio, la membrana celular también es permeable a los iones de sodio y cloro, pero en menor medida. Si el gradiente de sodio ingresa a la célula, el potencial de membrana disminuye. Si el gradiente de cloro entra en la célula, aumenta el potencial de membrana.
, dónde
PAG- permeabilidad de la membrana para un ion dado.
Condiciones para la emergencia y fases del potencial de acción.
Irritantes- factores externos o internos que actúan sobre la célula.
Bajo la acción de los estímulos en la célula, el estado eléctrico de la membrana celular cambia.
Un potencial de acción surge solo con la acción de un estímulo de suficiente fuerza y duración.
Fuerza umbral- la fuerza mínima del estímulo necesaria para iniciar un potencial de acción. Irritantes de mayor fuerza - supraumbral; menos fuerza - subumbral... La fuerza umbral del estímulo está inversamente relacionada con su duración dentro de ciertos límites.
Si un estímulo de una fuerza supraumbral o umbral en el sitio de estimulación surge un impulso eléctrico de una forma característica que se propaga a lo largo de toda la membrana, entonces habrá potencial de acción.
Fases del potencial de acción:
Ascendente - despolarización
Descendente - repolarización
Hiperpolarización(posible, pero no obligatorio)
- potencial del citoplasma
- la acción del estímulo ((sobre) la fuerza umbral)
e - despolarización
p - repolarización
d - hiperpolarización
Fase de despolarización- recarga rápida de la membrana: interior una carga positiva, exterior - negativa.
Fase de repolarización- retorno de la carga y el potencial de la membrana al nivel inicial.
Fase de hiperpolarización- un exceso temporal del nivel de reposo, que precede a la restauración del potencial de reposo.
La amplitud del potencial de acción excede significativamente la amplitud del potencial en reposo " excederse"(Vuelo).
Mecanismo de generación de potencial de acción.
Potencial de acción- el resultado de un cambio en la permeabilidad iónica de la membrana.
Permeabilidad de la membrana para los iones de sodio - una función directa del potencial de membrana. Si el potencial de membrana disminuye, aumenta la permeabilidad al sodio.
Acción de estímulo umbral: una disminución del potencial de membrana a un valor crítico (despolarización crítica de la membrana) → un aumento brusco de la permeabilidad del sodio → un aumento de la entrada de sodio en la célula a lo largo de un gradiente → una mayor despolarización de la membrana → el proceso está en bucle → a Se activa el mecanismo de retroalimentación positiva. El aumento de la entrada de sodio en la célula provoca una recarga de la membrana y el final de la fase de despolarización. La carga positiva en la superficie interna de la membrana se vuelve suficiente para equilibrar el gradiente de concentración de iones de sodio. El aumento de la ingesta de sodio en la célula termina, por lo tanto, termina la fase de despolarización.
P K: P Na: P Cl en reposo 1: 0.54: 0.045,
en el punto álgido de la fase de despolarización: 1: 20: 0,045.
Durante la fase de despolarización, la permeabilidad de la membrana para los iones de potasio y cloro no cambia, y para los iones de sodio aumenta en un factor de 500.
Fase de repolarización: aumento de la permeabilidad de la membrana para los iones de potasio → aumento de la liberación de iones de potasio de la célula a lo largo del gradiente de concentración → disminución de la carga positiva en la superficie interna de la membrana, cambio inverso del potencial de membrana → disminución de la permeabilidad del sodio → recarga inversa de la membrana → Disminución de la permeabilidad al potasio, lo que ralentiza la salida de potasio de la célula.
Al final de la fase de repolarización, se restablece el potencial de reposo. El potencial de membrana y la permeabilidad de la membrana para los iones de potasio y sodio vuelven al nivel de reposo.
Fase de hiperpolarización: ocurre si la permeabilidad de la membrana para los iones de potasio sigue aumentando, y para los iones de sodio ya ha vuelto al nivel de reposo.
Resumen:
El potencial de acción está formado por dos corrientes de iones a través de la membrana. El flujo de iones de sodio hacia la celda → recarga de la membrana. Flujo hacia afuera de iones de potasio → restaurando el potencial de reposo. Las corrientes son casi iguales en magnitud, pero se desplazan en el tiempo.
La difusión de iones a través de la membrana celular durante la generación del potencial de acción se realiza a través de canales altamente selectivos, es decir. tienen una mayor permeabilidad para un ion dado (abriendo canales adicionales para él).
Cuando se genera el potencial de acción, la célula adquiere cierta cantidad de sodio y pierde cierta cantidad de potasio. La ecualización de las concentraciones de estos iones entre la célula y el medio ambiente no ocurre debido a la bomba de potasio-sodio.
Métodos de registro y estudio experimental de biopotenciales .
1. Plomo intracelular.
Un electrodo se sumerge en el líquido intercelular, el otro (microelectrodo) se inyecta en el citoplasma. Entre ellos hay un dispositivo de medición.
El microelectrodo es un tubo hueco, cuya punta se tira hacia abajo hasta una fracción de micrón de diámetro y la pipeta se llena con cloruro de potasio. Cuando se introduce el microelectrodo, la membrana cubre herméticamente la punta y casi no se daña la celda.
Para crear un potencial de acción en el experimento, la célula es estimulada por corrientes por encima del umbral, es decir, otro par de electrodos está conectado a la fuente de corriente. Se aplica una carga positiva al microelectrodo.
Con su ayuda, es posible registrar los biopotenciales de células grandes y pequeñas, así como los biopotenciales de los núcleos. Pero el objeto de investigación clásico más conveniente son los biopotenciales de las células grandes. Por ejemplo,
Nitella PP 120mV (120 * 10 3V)
Axón de calamar gigante PP 60mV
Células de miocardio humano PP 90 mV
2. Fijación del voltaje en la membrana.
En un momento determinado, el desarrollo del potencial de acción se interrumpe artificialmente mediante circuitos electrónicos especiales.
En este caso, el valor del potencial de membrana y el valor de los flujos iónicos a través de la membrana en un momento dado son fijos, por lo que es posible medirlos.
3. Perfusión de fibras nerviosas.
Perfusión: reemplazo de oxoplasma con soluciones artificiales de diversa composición iónica. Por tanto, es posible determinar el papel de un ión particular en la generación de biopotenciales.
Realización de excitación a lo largo de las fibras nerviosas.
El papel del potencial de acción en la vida.
Sobre axones.
Teoría de la conducta por cable.
Dirección y velocidad de conducción.
Conducta continua y saltatoria.
El papel del potencial de acción en la vida. .
Irritabilidad- la capacidad de las células vivas bajo la influencia de estímulos (ciertos factores del entorno externo o interno) para pasar de un estado de reposo a un estado de actividad. En este caso, el estado eléctrico de la membrana siempre cambia.
Excitabilidad- la capacidad de las células excitables especializadas en respuesta a la acción de un irritante para generar una forma especial de oscilación del potencial de membrana - potencial de acción.
En principio, son posibles varios tipos de respuestas de células excitables a la estimulación, en particular, una respuesta local y un potencial de acción.
Potencial de acción ocurre si actúa un estímulo umbral o supraumbral. Hace que el potencial de membrana disminuya a un nivel crítico. Luego hay una apertura de canales de sodio adicionales, un fuerte aumento en la permeabilidad del sodio y el desarrollo del proceso por el mecanismo de retroalimentación positiva.
Respuesta local ocurre si actúa un estímulo subumbral, que es 50-70% del umbral. En este caso, la despolarización de la membrana es menos que crítica, solo se produce un ligero aumento a corto plazo en la permeabilidad del sodio, el mecanismo de retroalimentación positiva no se activa y el potencial vuelve rápidamente a su estado original.
Durante el desarrollo del potencial de acción, la excitabilidad cambia.
Disminución de la excitabilidad refractariedad relativa.
Pérdida completa de excitabilidad - refractariedad absoluta.
Como acercándose al nivel de despolarización crítica La excitabilidad aumenta, ya que un pequeño cambio en el potencial de membrana es suficiente para alcanzar este nivel y desarrollar un potencial de acción. Así es como cambia la excitabilidad al inicio de la fase de despolarización, así como con una respuesta local de la célula a la irritación.
A eliminar el potencial de membrana del punto crítico la excitabilidad disminuye. En el pico de la fase de despolarización, cuando la célula ya no puede responder a la estimulación abriendo canales de sodio adicionales, se establece un estado de refractariedad absoluta.
Como repolarización la refractariedad absoluta es reemplazada por relativa; al final de la fase de repolarización, la excitabilidad aumenta nuevamente (el estado de "supernormalidad").
Durante la fase de hiperpolarización, la excitabilidad se reduce nuevamente.
Excitación- la respuesta de células especializadas a la acción de estímulos umbral y supraumbral es un complejo complejo de cambios fisicoquímicos y fisiológicos, que se basa en un potencial de acción.
El resultado de la excitación depende del tejido en el que se desarrolló (donde surgió el potencial de acción).
Los tejidos excitables especializados incluyen:
muscular
glandular
Los potenciales de acción aseguran la conducción de la excitación a lo largo de las fibras nerviosas e inician los procesos de contracción muscular y secreción de células glandulares.
El potencial de acción que surge en la fibra nerviosa es impulso nervioso.
Sobre axones.
Axones(fibras nerviosas) - procesos largos de células nerviosas (neuronas).
Vías aferentes- de los sentidos al sistema nervioso central
Vías eferentes- del sistema nervioso central a los músculos.
Largo- metros.
Diámetro en promedio, de 1 a 100 micrones (en el axón del calamar gigante, hasta 1 mm).
Según la presencia o ausencia de la vaina de mielina, se distinguen los axones:
mielinizado(mielinizado, pulposo) - hay una vaina de mielina
amielínico(amielínico, no carnoso) - no tiene vainas de mielina
Vaina de mielina- el axón circundante es una membrana multicapa adicional (hasta 250 capas) que se forma cuando el axón se introduce en la célula de Schwann (lemmocito, oligodendrocito), y la membrana de esta célula se enrolla repetidamente en el axón.
Mielina Es un muy buen aislante.
Cada 1 a 2 mm, se rompe la vaina de mielina. intercepciones de Ranvier, cada uno de aproximadamente 1 μm de largo.
Solo en el área de intercepciones la membrana excitable entra en contacto con el entorno externo.
Teoría de la conducta por cable.
Un axón es similar a un cable en varias propiedades: es un tubo hueco, el contenido interno es axoplasma, un conductor (como el fluido intercelular), una pared, una membrana, un aislante.
El mecanismo de la excitación.(propagación de un impulso nervioso) incluye 2 etapas:
Aparición de corrientes locales y propagación de una onda de despolarización a lo largo de la fibra.
Formación de potenciales de acción en nuevos tramos de fibra.
Corrientes locales circulan entre las áreas excitadas y no excitadas de la fibra nerviosa debido a la diferente polaridad de la membrana en estas áreas.
Dentro de la celda, fluyen de un área excitada a una no excitada. Afuera, es todo lo contrario.
Corriente local provoca un cambio en el potencial de membrana del área adyacente, y comienza la propagación de una onda de despolarización a lo largo de la fibra, como una corriente a través de un cable.
Cuando la despolarización de la siguiente sección alcanza un valor crítico, sodio adicional, luego se abren los canales de potasio, surge un potencial de acción.
En diferentes partes de la fibra, el potencial de acción está formado por flujos de iones independientes perpendiculares a la dirección de propagación.
Al mismo tiempo, en cada sitio hay proceso energizante, ya que los gradientes de iones que pasan a través de los canales son creados por bombas, cuyo trabajo es proporcionado por la energía de hidrólisis del ATP.
Papel de las corrientes locales- sólo el inicio del proceso despolarizando más y más secciones nuevas de la membrana a un nivel crítico.
Gracias al suministro de energía, el impulso nervioso se propaga a lo largo de la fibra. sin desvanecimiento(con amplitud constante).
Dirección y velocidad de conducción.
La conducción unilateral de un impulso nervioso es proporcionada por:
la presencia en el sistema nervioso de sinapsis con conducción unilateral
la propiedad de refractariedad de la fibra nerviosa, lo que hace imposible revertir el curso de la excitación
Realización de velocidad cuanto más altas, más pronunciadas son las propiedades del cable de la fibra. Para evaluarlos, use constante de longitud de la fibra nerviosa:
, dónde
D- diámetro de la fibra
B metro- espesor de la membrana
- resistividad de la membrana
- resistividad del axoplasma
El significado físico de la constante: es numéricamente igual a la distancia a la que el potencial subumbral disminuiría en mi una vez. Con un aumento en la constante de longitud de la fibra nerviosa, también aumenta la velocidad de conducción.
En el umbral de la fuerza de estimulación, aparece un PD en la célula, que tiene una forma significativamente diferente del LO (Fig. 4, B, 1 V).
Tiene las siguientes propiedades:
1) obedece la ley "todo o nada", es decir cuando se alcanza el KUD, la célula responde con la máxima respuesta;
2) capaz de extenderse a largas distancias
3) Cuando ocurre, la excitabilidad de la célula disminuye;
4) es un proceso autorregenerativo (autosuficiente).
Figura 5. A. fase del potencial de acción: 1- despolarización, 2- repolarización, 3- repolarización de trazas, 4- hiperpolarización de trazas, 5 - sobreimpulso, B - desarrollo de mecanismos iónicos del potencial de acción.
La técnica de registro de DP se muestra en la Fig. 4, A: en este caso, un microelectrodo es irritante (1) y el segundo (2) es un DP de desvío.
La EP tiene una estructura bastante compleja; distingue lo siguiente
fases (Fig.5, A):
1) fase de despolarización (no se muestra LR);
2) la fase de repolarización;
3) potencial de despolarización de trazas;
4) rastrear el potencial de hiperpolarización;
5) fase de sobreimpulso.
El origen de estas fases:
1- durante la fase de despolarización, los canales de Na + se abren y los iones de sodio entran en la célula (Fig.5, B)
2- durante la fase de repolarización, los canales de Na + - se cierran, los canales de K + - se abren y deja la célula afuera;
3- durante la fase de repolarización de trazas, la salida de K + se ralentiza un poco;
4- durante la hiperpolarización de trazas, parte de los canales de K + - están abiertos y cuando se alcanza el valor de MP, el potasio aún continúa ingresando a la célula;
5- fase de sobreimpulso (vuelco): en esta fase, el citoplasma de la célula está cargado positivamente debido a la presencia de una gran cantidad de iones de Na + en él.
Ya no se obtiene AP que MP: su amplitud se obtiene por adición algebraica de las amplitudes de sobreimpulso y MP; en la Fig. 6, A, la amplitud AP es 100 mV, la duración es 1 ms.
Papel fisiológico de la EP: excitación de las células y aparición de los procesos correspondientes en ellas, transmisión de la excitación al sistema nervioso central, a las estructuras periféricas.
Cambios en la excitabilidad celular durante el desarrollo de la EP.
Períodos de refractariedad, mecanismos de su origen,
Importancia fisiológica
En el estado inicial, cuando el potencial de membrana no cambia (Fig. 6.1; a), la excitabilidad de la célula se denomina inicial (Fig. 6, II; a) y es del 100%. Cuando ocurre una respuesta local (Fig. 6, I; b), la excitabilidad de la célula aumenta (Fig. 6, II; b). Esto se debe a una disminución de KUD. Con el desarrollo de componentes rápidos de AP (fases de despolarización y repolarización - Fig. 6, I, c), la célula pasa por la etapa de refractariedad absoluta y relativa (Fig. 6, II, c).
En la fase de refractariedad absoluta, la célula no responde a ningún estímulo, ni siquiera superfuerte: la excitabilidad del tejido es cero. El tiempo de este estado corresponde a la duración de la fase de sobreimpulso (Fig. 6, I).
En la fase de relativa refractariedad, el tejido puede excitarse, pero con irritaciones más fuertes de lo habitual.
Figura 6. Comparación de las fases del potencial de acción (I) con las fases de excitabilidad (II). a - excitabilidad inicial; b - mayor excitabilidad; c - refractariedad relativa y absoluta (O); d - excitabilidad supernormal; d - excitabilidad subnormal.
La refractariedad absoluta está asociada con la inactivación de los canales - y un aumento de la conductividad para los iones K + -. La fase de refractariedad relativa: la primera está asociada con la inactivación gradual de la conductividad de Na +, la segunda, con un aumento de la conductividad de K +.
En la fase del potencial de despolarización de trazas (Fig.7, f. D)
la excitabilidad es de nuevo más alta de lo normal - el llamado. "Excitabilidad supernormal" (Fig. 6, II, d); asociado con una disminución en el nivel crítico de despolarización.
En fase rastrear hiperpolarización(pH 6,1; e) la excitabilidad del tejido está algo reducida, la fase de excitabilidad subnormal (Fig. 7, II; e). Se ha reducido debido a un aumento de KUD.
Después de la restauración del potencial de membrana (Fig. 6.1; a), la excitabilidad también se normaliza (Fig. 7.11; a).
Importancia fisiológica de los cambios en la excitabilidad:
1) protege completa o casi completamente el tejido excitable durante la excitación de interferencias extrañas (refractariedad absoluta y relativa);
2) un aumento de la excitabilidad en la fase LO contribuye a la integración de neuronas en el sistema nervioso central;
3) la excitabilidad subnormal en la fase de hiperpolarización de trazas promueve el "descanso" del tejido y la restauración de los gradientes iónicos de las células.