электричество в организме человека

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В
ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Лектор – профессор, д.б.н. Ольга Петровна Балезина,
МГУ, кафедра физиологии человека и животных
18 век ,открытие электричества М.Фарадеем
М. Фарадей
"Как ни удивительны
электрические явления,
присущие неорганической
мертвой материи, они не
идут ни в какое сравнение
с теми, которые связаны с
деятельностью нервной
системы и жизненными
процессами.»
М. Фарадей
Любая клетка нашего организма - это
1. Электрический конденсатор
2. Электрический генератор» ,
это – электрически заряженная система
+
+
+
+ - +
- - +
+
Клетки печени, эпителия
+ - - +
+
+
-- +
- - +
+
-+ +
КАК
++-
+
+
+
- ++
- -+
+ - +
- --+
-+
+ - + -- -+
нейрон
Мышечные волокна
+ -
+
+
+
-
+
+ +
- +
++
+ --+ астроцит
+- эритроциты
+ -+ + +-- +-+
+ +
ЭТО происходит ?????
Что за электрические заряды есть в клетках и в среде
вокруг клеток??
анионы
катионы
+
-- К --
+
-
+ - Na
Cl-
-
+
К+
-- +
Na+
К+
Cl-
К+
Na+
К+
-
Cl- -
Цитоплазма –это водный раствор
электролитов
Cl-
-+ -
+
Cl-
+
+
+
МЕМБРАНА КЛЕТКИ
ядро
Na+
-
+
Na+
Cl-
- Cl-
-
+
-
Cl-
-
-
+
-
+
+
Опыты Луиджи Гальвани – на лапках
лягушки
1791 год, Болонья
Лейденская банка
Лапка лягушки
«Лапка лягушки – это живая Лейденская
Л. Гальвани: банка, электрический конденсатор
животного электричества!!»
«De Viribus Electricatitis in Motu Спор между Л.Гальвани и
Musculari Commentarius»1791
А.Вольта
Конец 18-го века
+
Сокращение
Алессандро Вольта
Луиджи Гальвани
«Мышца – накопитель
электричества, а нервего проводник!!»
Из-за разряда
электричества которое
накоплено в мышце!
Почему же сокращается
лапка ?????
Гальванический
элемент!!
В лапке нет никакого
электричества!
Электричество – в
самом пинцете!
Лапка раздражается
внешним электричеством
существующим в паре
разнородных металлов !!
Опыты по измерению «тока покоя»
в лаборатории Дюбуа Реймона в Берлинском
Университете
Регистрация эл.тока струнным гальванометром
(опыты в 1860-80 –ые годы)
Да, клетка (ее мембрана) - электрический
конденсатор, она электрически заряжена,
но в чем причина ?
1850 - 1880 годы
Ток покоя
+++++++++++++
Индифферентный
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ
- -- ----- - -- - - - - - - - - - электрод
------------ -+
+ + +
+ + +
+
Мышечное волокно
Как формируется потенциал покоя ???
Юлиус Бернштейн
Иоганнес Мюллер
Людвиг Германн
«Все это - жизненная
сила! «
Альтерационная
теория
1901-1911 Мембранная теория
«МЕМБРАНА КЛЕТКИ - избирательно
проницаема ТОЛЬКО к КАЛИЮ ,
Это заряжает
Насос создает перепад
а калия очень много в клетке, поэтому
мембрану!
концентраций ионов
+
ионы К выходят, а анионы (А ) нет! »… +
К+ Na
+
+ +
К+
+
+
+
+
+
+
А
+
насосК+
+
+
К
К
К
+
+
Na
+ К+
К А+
+
К+
+
+
+
К
+
К+
К
А
Na
+
К+
К+
+
Na
+
+ А- + +
+
+
Na
А
+
А
+
K А
А А
- К
--А - - А
- -
---
-
+
-- +
+
К A- +++
-- +
+
---
Электрический потенциал на мембране мембранный потенциал
+
Na
много
А-
-
-
-
+
А-
Na
-
+
-
--
ядро
А
+
-
А--
K+
Энергия
Na
-
А-
+ +
ППо клеток - порядка
-60 мВ - - 90мВ !
-
-
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ – это электрический
потенциал, существующий между внутренней
А
и наружной средой ЛЮБОЙ клетки;
он создается на мембране клетки:
+
изнутри мембрана заряжена отрицательно(-),
а снаружи - положительно(+).
Две причины виноваты в разделении на
«+» и «-» электрич. зарядов по
разные стороны мембраны, т.е. в возникновении потенциала покоя на мембране
клетки:
1. . Наличие перепада концентраций для ионов - калия, ( а также натрия и хлора). Для
этого в мембране есть молекулы-насосы, создающие перепад концентраций ионов
K и Na
2. Избирательная проницаемость мембраны к ионам: одни ионы проходят через
мембрану, а другие - НЕТ! (К+ проходит, а анионы А- - нет )
-65мВ
микроэлектрод
+
Что такое
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ клетки?
ЭТО:
-
+
+
+ +
+
+
+
- ++
- ++
- +
-+
- +
- +
- +
Разделение электрич. зарядов по разные стороны мембраны
скопления - катионов(+) на наружной cтороне
и
- анионов(А-) на внутренней стороне мембраны.
в виде
Это - следствие 1)различий концентрации ионов внутри и снаружи
клетки и 2) способности мембраны избирательно пропускать одни
ионы и не пропускать другие. В результате на мембране любой клетки
– животной и растительной - возникает и удерживается потенциал, т.н. потенциал покоя.
ЗАЧЕМ НУЖЕН клетке
электрический потенциал на мембране
- потенциал покоя ??
1
2
Электрический потенциал ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ - помогает
ТРАНСПОРТИРОВАТЬ молекулы через мембрану
Электрический потенциал упорядочивает положение
молекул – внутримембранных и околомембранных молекул
Транспорты
через
мембрану
+ - +
- +
+ + -
+
Главная причина
3
Потенциал покоя – необходим для управления
ВОЗБУЖДЕНИЕМ клетки
NB!!!
+
ИТАК, мембрана клетки электрически
заряжена в ПОКОЕ,
но что же тогда такое
ВОЗБУЖДЕНИЕ???
Почему по нерву при его раздражении
бежит электрический ток и заставляет
мышцу сокращаться?
Раздражение
нерва
Что собой представляет этот БИОТОК ???
Электрический ток
нерв
мышца
ЧТО ТАКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ????
Г И П О Т Е З А Бернштейнв :
ВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА
при возбуждении клетка ТЕРЯЕТ
избирательную проницаемость. Это
приводит к разрядке мембранного
конденсатора и ПП=0 при возбуждении
НЕВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА
Na
К+
Na/K насос
К+
+К+
К+
+
-
Na
К+
К+
К+
Na
+
- -+
+
К
+ +- +А-
А-
А-
МП=- 90 мВ
К+
Na
-
А-
+
Na
+
Na
Са
+
+
+
Са
Са
+
+
К
Cl
- + +
МП=90
мВ
В покое !!!
-
+ Na
-+
Са
Na
МП=0
При возбуждении!!!
Это приводит к исчезновению потенциала на мембране
Главный вопрос 20-го столетия в нейофизиологии :
что такое животное электричество и ВОЗБУЖДЕНИЕ ?
Две команды:
Англия
1939 – 1940 гг.
Плимут, морская станция,
Великобритания
Гигантский аксон
кальмара
против
США
КАЛЬМАР и
его аксоны
Вудс Холл . морская
станция ,США
Кайси Коул и Говард Кертис
Да, при возбуждении аксона
в 40 раз возрастает проводимость
(проницаемость )мембраны!!
Первая регистрация «потенциала возбуждения»
+30 мВ
Потенциал
действия !!!
0
- 70 мВ Потенциал покоя
Электрическое
раздражение
ПРИ возбуждении аксона происходит не
разрядка, а ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ!!!!
+++++
------АКСОН
+++
-------
------+
+
+
+++++
электроды
Электрическое
раздражение аксона
Пипетка-электрод
1мсек
1949-1955г.г
А. Ходжкин – э. Хаксли :
Потенциал покоя
ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
НАТРИЕВАЯ ГИПОТЕЗА Ходжкина –Катца
Механизм возбуждения раскрыт!!!
Это - кратковременная проницаемость
мембраны к ионам натрия и
ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ !!
ПД распространяется вдоль аксона
как огонь по бикфордову шнуру
Потенциал действия
=+50мВ
Потенциал
покоя=-60мВ
Na +
Na
Na+
В покое Naканалы закрыты
+
--
+50мВ
ПД
Потенциал действия (ПД ) кратковременный сдвиг мембранного
потенциала, сопровождающийся
электрической перезарядкой мембраны,
происходящий только при возбуждении
клетки,
0
-65мВ
Потенциал
покоя
ПД
ППо
клетка
Потенциалы действия +40
ПД аксона
-65мВ
+30 мВ
универсальные электрические сигналы – передатчики
команд от нейрона к нейрону и другим клеткам
Нейрон и
его длинный
отросток аксон
ПД
миоцита
-60 мВ
Клетки сердца
и
нейрон
Частотный код !!
ПД
кровеносных
сосудов
-80 мВ
ПД мышечных
волокон
скелетных мышц
СЕРДЦЕ
СКЕЛЕТНЫЕ
МЫШЦЫ
ПД
ПД
Сокращение
ПД
Сокращение
Электрические импульсы – ПД - основа
активности ВСЕХ возбудимых систем
ПД
МОЗГ
Нервные импульсы
Прием
информации
Передача
информации
ПД
ИТАК:
Все нормальные функции организма обусловлены
электрическими взаимодействиями.
1. Работа мышц, в том числе - дыхание и удары
сердца, контролируется электрическими
токами.
2. 2. Информация, получаемая различными
органами чувств, передается в мозг с помощью
электрических сигналов(ПД).
3.Сигналы управления работой ВСЕХ
органов со стороны мозга–ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ !
ЭТО – ПД !!!!
ГДЕ возникают и КАК
используются
ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕЙСТВИЯ В ОРГАНИЗМЕ?
ВОЗБУДИМЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ
1
Нервная система !!
2
3
Мышечная система человека СЕРДЦЕ и
кровеносные сосуды
4
ЖЕЛЕЗЫ
Железы
Надпочечники
гипофиз и др.
Кровеносные
сосуды
ВОПРОС:
Как электрические импульсы
– то есть ПД –
передаются от клетки к клетке ?
ОТВЕТ :
С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИХ СИНАПСОВ!!
Медиатор
Передача
СИНАПС
возбуждения –ПД –
через химический
синапс
СИНАПС- место контакта отростков нейрона с другой клеткой
Синапсы
синапс
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
СИГНАЛЫ НА
МЕМБРАНЕ
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ
СИГНАЛЫ
сочетают
электрические и
химические
сигналы
возбуждения
ПЕРЕРЫВ !
Электрическая активность
ВОЗБУДИМЫх СИСТЕМ:
ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ
и использования
В 21-ом ВЕКЕ
Э. Неер и Б.Сакман, Германия 1986г. : Ученые впервые! сумели зарегистрировать
активность одиночных ионных каналов
Активность одиночных каналов
МЕТОД
«ПЭТЧ-кламп»
Закрытое состояние
Канал работает по закону
«ВСЕ или НИЧЕГО»
«ОТКРЫТ или ЗАКРЫТ»
Открытое состояние
Ток через
канал
Изучены
-90
+
свойства Na- каналов, Са каналов , К каналов
-75мВ
+
Молекула Na-канала
-
Молекула Na канала – электрически возбуждаемая
саморегулирующаяся молекулярная система
механизм открытия и закрытия канала – активный,
заложен в самой молекуле, регулируется
деполяризацией мембраны !!
НАРУШЕНИЯ возбудимости клеток- К А Н А Л О П А Т И Иследствие нарушения работы
Na-, К-, и Cа-каналов возбудимых клеток
МИГРЕНИ,
Шизофрения,
МИОТОНИИ,
АРИТМИЯ
СЕРДЦА
Дефекты МОЛЕКУЛ Na и Са
КАНАЛОВ
ВИД сверху
Видны субъединицы
молекулы канала
ПРИРОДНЫЕ ТОКСИНЫ – БЛОКАТОРЫ Na- и Са-каналов
ТЕТРОДОТОКСИН –яд рыбы «фугу»,
блокатор Na-каналов
Как есть рыбу-фугу и ВЫЖИТЬ???
КОНОТОКСИН
Моллюск рода Conus
Блокатор Na и Са
каналов!!
ВЕРАТРИДИН –растительный алкалоид
Яд из плодов Чемерицы черной
Э К Г – ЭлектроКардиоГрамма сердца - метод
диагностики и изучения
работы сердца
Явные изменения
в форме ЭКГ!!!
Диагностируем
инфаркт!!
Электромиография скелетных мышц
ЭЭГ - Электро ЭнцефалоГрамма мозга –
это метод диагностики и изучения работы мозга
Повреждение
в левом полушарии хорошо диагностируется на ЭЭГ
Левое
полушарие
возбуждение
Расслабление
Правое
полушарие
сон
Электроэнцефалограмма
Глубокий сон
МЕТОДЫ 21 ВЕКА Оптические методы регистрации
электрической активности мозга
СВЕТЯЩИЕСЯ белки и сенсоры электричества
Электрическая активность слуховой коры мозга
Оптическое
картирование
электрической
активности сердца
БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
МАНИПУЛЯТОР
Антенна Усиление и
преобразование
биотоков
МЕХАНИЧЕСКИЙ
МАНИПУЛЯТОР
БИОТОКИ возникающие в мышце
Антенна- приемник биотоков
Усилитель биотоков
Блок
преобразования
Биотоков
Использование БИОТОКОВ , ВОЗНИКАЮЩИХ В МЫШЦЕ
для управления искусственной рукой.
Здесь нас поджидают такие трудности, как малая сила сигналов,
наличие большого числа биотоков, из которых надо выделить
интересующие нас импульсы. Вот для этого-то и предусмотрены в
схеме биоэлектрического манипулятора усилитель и блок
преобразования, разгадывающий замыслы оператора.
Таким образом, биоэлектрический манипулятор представляет собой
систему управления, в которой "программу" задает живой организм, а
отрабатывает ее внешнее техническое устройств
Управление
искусственной рукой –
манипулятором
ДЕТЕКТОР ЛЖИ – ПОЛИГРАФ
Кожно-гальваническая реакция - измерение электрич. сопротивления кожи.
КГР – хороший показатель эмоцион.состояния человека (отражает реакции
симпатической нервной системы )
КГР : измерерние электр. тока и
эл. сопротивления с кожи двух
пальцев
Проверка человека на полиграфе :
оценка КГР и других вегетативных электрически проявляющихся - реакций –
бессознательных!!!
Обмануть электрические реакции
организма(бессознательные) –невозможно!!
Механизм полиграфных проверок тесно связан с
-вегетативными реакциями - потоотделением ,
сокращением кров.сосудов (контролируемыми
симпатич.нервной системой)
- с эмоциональными переживаниями,
Дело в том, что стимулы, несущие в себе информацию о
произошедшем событии, запечатленном в сознании (памяти)
опрашиваемого лица и представляющем значимость для него
при полиграфной проверке устойчиво вызывают
физиологические реакции (бессознательные !) , имеющие
отличительные признаки от реакций на аналогичные, но! не
связанные с этим событием стимулы, т. е. не несущие
ситуационно-значимой информации
Регистрация и
распознавание
ЭЭГ
Протез руки
Команды к протезу
Интерфейс
Мозг –Компьютер - I B С
Первые попытки нейрофизиологов в 21 веке
использовать электрическую активность мозга
для управления внешними устройствами –
манипуляторами, протезами!!!!
ИНТЕРФЕЙС МОЗГ –КОМПЬЮТЕР - IBC
Обычно электрические сигналы мозга имеют нервно-мышечную или гормональную направленность ВНУТРИ
организма.
НО! с помощью интерфейса мозг -компьютер электрическая активность мозга может быть направлена на управление
ВНЕШНИМИ устройствами
Это могут быть ПРОТЕЗЫ, машины и механизмы
ИТАк, воображаемая, МЫСЛИТЕЛЬНАЯ деятельность МОЗГА с помощью регистрации и распознавания ее электрического эквивалента на
компьютере может быть ПЕРЕНАПРАВЛЕНА на ВНЕШНИЕ устройства
Основное назначение современных ИМК
•
«Протезирование» моторной функции у больных с ее полным (locked-in) или
значительным нарушением
ЗАКЛЮЧЕНИЕ :
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ВОЗБУДИМЫХ КЛЕТОК ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНА:
ВОСПРИЯТИЕ
СИГНАЛОВ
ОТ ДРУГИХ
КЛЕТОК И
ИНТЕГРАЦИЯ
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
СОСЕДНЕЙ КЛЕТКЕ
СОКРАЩЕНИЕ
скелет. мышц, сосудов
и сердца
СЕКРЕЦИЯ
желез
Электрическая активность поддерживает
жизнеспособность клеток, их специфические функции .
В этом - важная трофическая роль электрических
сигналов в организме человека
Для получения зачета по курсу, необходимо
после каждой лекции ответить, в письменной
форме, на несколько вопросов
Вопросы по лекции N3
1. Вопрос 1. Как
заряжена
мембрана клетки ?
Какова величина потенциала покоя (ППо) клетки?
2. Вопрос 2. Что такое потенциал действия (ПД)? Какую роль
ПД играет в жизни клеток?
3. Вопрос 3. Назовите клетки и органы , в которых
происходит генерация ПД
Ответы на вопросы необходимо написать на листе,
указав свои данные
На листке должно быть написано следующее:
ФИО________________________________________________________
Факультет ____________________________________________________
Курс _______________________
Лекция N3 (номер лекции). «Электричество в живых организмах»
1. Ответ на вопрос 1 (Одна-две строки)
_______________________________________________________________
____________________________________
2. Ответ на вопрос 2.
3 . Ответ на вопрос 3.