Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита
Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита - Лекция, раздел Физика, РАЗДЕЛ I. БИОФИЗИКА МЕМБРАН Потенциал Действия Мышечной Клетки Сердца Отличается От Потенциала Действия Н...
Потенциал действия мышечной клетки сердца отличается от потенциала действия нервного волокна и клетки скелетной мышцы прежде всего длительностью возбуждения - деполяризации (рис).
Рис. .Потенциал действия кардиомиоцита
Если длительность ПД аксона составляет 1 мс, клетки скелетной мышцы 2 - 3 мс, то длительность потенциала действия клетки сократительного миокрада желудочка и сердца составляет 250 - 300 мс. Это позволяет осуществить синхронное возбуждение и сокращение структур сердца для обеспечения выброса крови.
Такие особенности ПД кардиомиоцита обеспечиваются распределением ионов внутри и снаружи клетки (рис.).
Рис.. Распределение концентрации ионов внутри и снаружи
кардиомиоцита позвоночных (ммоль/л).
Показаны К+- Na+- и Са2+- насосы, поддерживающие концентрации
ионов на указанных уровнях; горизонтальными стрелками указаны
направления пассивных потоков ионов при открытом состоянии
соответствующих каналов, вертикальными - направление
активного переноса ионов
Распределение ионов К+ и Na+ в кардиомиоцитах близко к распределению этих ионов в скелетной мышце. Однако в кардиомиоците при формировании ПД и в процессе сокращения существенную роль играют и ионы Са2+. Их концентрация снаружи клетки составляет около 2 ммоль/л, но внутри клетки концентрация свободных ионов Са2+ очень мала: 10-4 ммоль/л. При сокращении концентрация свободных ионов Са2+ внутри клетки может возрастать до 10-8 ммоль/л, но в фазе реполяризации избыток этих ионов удаляется из клетки.
Ионные насосы миокардиальных клеток. Сохранение ионного балланса в кардиомиоцитах обеспечивают К+- Na+- и Са2+-насосы, активно перекачивающие ионы Na+ и Са2+ наружу, а ионы К+ - внутрь клетки. Работу этих насосов обеспечивают ферменты К+- Na+- АТФаза и Са2+-АТФаза, находящиеся в сарколемме миокардиальных клеток.
Плотность молекул К+- Na+-нacoca в мембране, оцениваемая по специфическому связыванию [3Н] - оуабаина, составляет около 1000 на 1 мкм2, то есть 1011 насосов на см2. Число циклов насоса оценивается ≈ 20 в секунду. Тогда на 1 см2 за одну секунду происходят 2 • 1012 циклов насосов. Так как за каждый цикл насос переносит 3 иона Na+, то всего переносится 6 • 1012 ионов за 1 с на 1 см2. Разделив этот результат на число Авогадро (6,02 • 1023 моль-1), получаем 10 • 10 12 моль/см2 • с, то есть по расчету через 1 см2 за 1 с насос перекачивает 10 пмоль ионов Na.
В покое проницаемость мембраны для ионов Na+ и Са2+ весьма мала: PNa/ Рк = 0,05; отношение РСа/ Рк также мало, мала и концентрация ионов Са2+ вне клетки. Поэтому потенциал покоя, как и в нервных волокнах, определяется в основном разностью концентраций ионов К+ по обе стороны клеточной мембраны.
Потенциал действия клетки миокарда имеет три характерные фазы: деполяризация (I), плато (II) и реполяризация (III).
I фаза — деполяризация, как и в аксоне, определяется резким ростом проницаемости мембраны для ионов натрия: Рк :PNa = 1 : 20 в момент превышения φм порогового значения при возбуждении. Порог активации натриевых каналов примерно -60 мВ, а время жизни 1 - 2 мс и может доходить до 6 мс.
II фаза - плато - характерна медленным спадом φм от пикового значения (= + 30 мВ) до нуля. В этой фазе одновременно работают два типа каналов - медленные кальциевые каналы и калиевые каналы.
Кальциевые каналы имеют порог активации около -30 мВ, а время их жизни примерно 200 мс. В результате открывания кальциевых каналов возникает деполяризующий медленный входящий в клетку кальциевый ток:
ICa=gCa(φM – φCa),
где gCa - проводимость мембраны для ионов Са2+.
Этот ток обеспечивается пассивным переносом в соответствии с градиентом электрохимического потенциала для ионов Са2+ (рис.).
Равновесный кальциевый потенциал по уравнению Нернста:
Одновременно с ростом кальциевого тока растет проводимость для ионов калия gK, что приводит к возникновению вытекающего калиевого тока, ре поляризующего мембрану.
Во II фазе gca уменьшается, a gK увеличивается (см. рис. 4.9), происходит постепенное выравнивание текущих навстречу друг другу токов, а потенциал мембраны φм понижается почти до нуля. Для II фазы характерно, что суммарный ток мембраны I стремится к 0.
Рис..Изменение проводимостей для ионов Na+, Ca2+, К+ при возбуждении каридомиоцита
III фаза— реполяризация- характеризуется закрытием кальциевых каналов, ростом величины gK и усилением выходящего тока К+.
Для кальциевого канала, так же как и для натриевого, предполагается существование активирующих и инактивирующих частиц, состояние которых описывается некоторыми параметрами d и f соответственно. Тогда проводимость канала gCa в уравнении:
gCa= gCa∙d∙f,
где gCa — максимальная проводимость открытого кальциевого канала.
Процессы возбуждения кардиомиоцита изучаются с помощью ряда специальных методов.Один из них - это метод блокаторов (антагонистов) ионов кальция. Были найдены специфические блокаторы кальциевого тока в миоците: препараты Д-600, верапамил, катионы металлов La3+, Mn2+ и некоторые другие. Эти вещества прекращают доступ кальция внутрь клетки и тем самым изменяют величину, и форму потенциала действия. Интересно отметить, что кальциевые каналы не блокируются тетродотоксином (блокатором ионов Na+), что дает основание допускать существование в кардиомиоцитах отдельных кальциевых каналов.
Второй метод - люминесцентный анализ. Он позволяет регистрировать в эксперименте перенос ионов кальция с помощью, белка экворина, получаемого из светящихся медуз. Особенность этого белка заключается в том, что, обладая высоким сродством к ионам Са2+, он люминесцирует в их присутствии. Экворин S вводится в препарат сердечной мышцы, и с помощью специальной оптической аппаратуры регистрируется изменение интенсивности свечения во времени. Полученные результаты пoзволяют описать процессы переноса ионов кальция при генерации потенциала действия в мышце сердца.
Распределение ионов кальция по сердечной мышце в норме и патологии изучается с помощью метода радионуклидной диагностики. Для этого используют радиоактивный изотоп кальция – Ca2+, β - излучение которого регистрируется сканерами.
Лекция... Тема БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ СТРУКТУРА СВОЙСТВА... Биофизика мембран важнейший раздел биофизики клетки имеющий большое значение для биологии Многие жизненные...
Основные функции биологических мембран
Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования
Структура биологических мембран
Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сдел
Фазовые переходы липидов в мембранах
Вещество при разных температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например газообразном, жидком, твердом, плазменном. Кристаллическ
Тема: ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
При всем многообразии строения и физико-химических свойств молекул проникающих веществ можно выделить два механизма перемещения веществ через мембрану;
1) посредством простой диффузии, т.е
Пассивный перенос веществ через мембрану
Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса
Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга
Активный транспорт - это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.
Активный транспорт
Электрогенные ионные насосы
Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интег
Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран
Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непр
Типы управляемых каналов.
1) Потенциалоуправляемые каналы.
«Ворота» канала системой «рычагов» соединены с диполе
Структура ионного канала.
Ион-селективный канал состоит из следующих частей : погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислоро
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ОРГАНОВ
Функционирование живых клеток сопровождается возникновением трансмембранных электрических потенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической а
Физические основы электрокардиографии
Наибольшее распространение в медицинской практике в стоящее время получило изучение электрической активности сердца - электрокардиография.
Экспериментальные данные пока
Автоколебания и автоволны в органах и тканях
Процессы, которые повторяется во времени, называют колебаниями. В биологических объектах наблюдаются колебания различных видов на всех уровнях их организации. Так, в клетках
Основные свойства автоволн в АС.
1. Автоволна распространяется без затухания.
2. Автоволны не интерферируют и не отражаются от препятствий.
3. Направление распространения автоволны определяется зонами рефрактерно
Ревербератор в среде с отверстием
На основе методов математического моделирования была показана возможность существования принципиально иного механизма циркуляции автоволн в активных средах.
Рассмотрим процесс в плоской од
БИОФИЗИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
Мышечная активность - это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Независимо от назначения, особе
Структура поперечно-полосатой мышцы. Модель скользящих нитей
Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных cocyдов. Мышцы по строению дел
Биомеханика мышцы
Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, состоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно о
Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения
Зависимость скорости укорочения от нагрузки Р является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энергетики. Она была подробно изучена
Электромеханическое сопряжение в мышцах
Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом
Реологические свойства крови
Реология (от греч. rheos - течение, поток, logos - учение) -это наука о деформациях и текучести вещества. Под реологией крови (гемореологией) будем понимать изучение биофизических осо
Основные законы гемодинамики
Гемодинамика - один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики - установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а т
Биофизические функции элементов сердечно-сосудистой системы
В 1628 г. английский врач В. Гарвей предложил модель сосудистой системы, где сердце служило насосом, прокачивающим кровь по сосудам. Он подсчитал, что масса крови, выбрасываемой сердцем в артерии в
Фильтрация и реабсорбция жидкости в капилляре.
При филътрационно-реабсорбционных процессах вода и растворенные в ней соли проходят через стенку капилляра благодаря неоднородности ее структуры. Направление и скорость движения воды через различны
ИНФОРМАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Биологическая кибернетика является составной частью биофизики сложных систем. Биологическая кибернетика имеет большое значение для развития современной биологии, медицины и экологии
Принцип автоматической регуляции в живых системах
Управление (регулирование) - процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей.
Всякая система содержит управляющую час
Информация. Информационные потоки в живых системах
Информация (от лат. informatio – разъяснение, осведомление) - это один из широко используемых на сегодня терминов, которые употребляет человек в процессе деятельности. Создаются информационн
Биофизика рецепций
РЕЦЕПЦИЯ (от лат. receptio - принятие): в физиологии - осуществляемое рецепторами восприятие энергии раздражителей и преобразование ее в нервное возбуждение (Большой энциклопедический словарь).
Фоторецепторы.
С помощью глаз мы получаем до 90% информации об окружающем мире. Глаз способен различать свет, цвет, движение, способен оцениать скорость передвижения. Максимальная концентрация светочувствительных
Биофизика отклика.
Генерация рецепторного потенциала. Свет поглощается белком родопсином, бесцветным белком, который, по сути, является комплексом белка опсина и ретиналя (имеющего розовую окраску). Ретиналь может на
БИОСФЕРА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались и существуют под постоянным действием потоков электромагнитных волн и ионизирующих излучений. Естественный радиоактивный фон и фон электромагнитны
ЧЕЛОВЕК И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА
Понятие «физические поля окружающего мира», является широким и может включать в себя многие явления зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если рассматривать его в строго фи
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различ
Дозиметрия ионизирующих излучений
К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское и γ-излучение, потоки α-частиц, электронов, позитронов, а также потоки нейтронов и протонов.
Действие ионизирующих излучений на
Естественный радиоактивный фон Земли
На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки α- и β-частиц, γ-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в зем
Нарушения естественного радиоактивного фона
Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона явл
Электромагнитные и радиоактивные излучения в медицине
Электромагнитные волны и радиоактивные излучения сегодня широко используются в медицинской практике для диагностики и терапии.
Радиоволны применяются в аппаратах УВЧ и СВЧ-физиотерапии. Де
Электромагнитные поля.
Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и γ-кванты - не зарегистриро
Акустические поля.
Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека ( 0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в
Низкочастотные электрические и магнитные поля
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.
Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающим
Электромагнитные волны СВЧ-диапазона
Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна. Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабы
Применение СВЧ-радиометрии в медицине.
Основными сферами практического применения СВЧ-радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких, метастазов, а так
Оптическое излучение тела человека
Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные
Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов.
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов