профилактического факультетов 1курса. Тема

Методическая разработка для студентов медицинского,
педиатрического
и медико-профилактического факультетов 1 курса.
Тема. Изучение мембранных потенциалов покоя и действия.
И.Актуальнисть темы.
В настоящее время ни у кого нет сомнений в том, что ХХІ век
ознаменуется выдающимися достижениями молекулярной биологии и
биологической физики. Этот процесс будет с одной стороны,
характеризоваться все большей интеграцией с фундаментальными
естественными науками (в первую очередь физикой, химией и другими), а
с другой стороны – иметь удивительные практические воплощения в
медицину.
ІІ. Конкретные цели.
- Анализировать молекулярную организацию активного транспорта на
примере работы Na+ K насоса.
- Объяснять природу мембранного потенциала покоя (равновесный
потенциал Нернста, диффузионный потенциал, потенциал Доннана,
стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина-Катца).
- Трактовать механизм возникновения потенциала действия, покоя,
скорость и особенности его распространения, в аксонах.
Иии.Базовий уровень знаний и умений.
Дисциплина Знать
Биология
Строение и свойства биологических
мембран
Физиология пассивный и активный транспорт
Химия
структурная организация белков и
нуклеиновых кислот.
ІV. Перечень теоретических вопросов, которые рассматриваются на
занятии.
1. Биологические потенциалы.
2. Диффузионный потенциал.
3.Потенциал Доннана. Доннанивское равновесие.
4.Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина-Катца.
5.Потенциал действия . Механизм возникновения и распространения
нервного импульса.
6. Кинетика активации каналов. Электрические токи через элемент аксона.
V.Источники информации.
Основные
1
1. Под ред.. проф. О.В.Чалого. Медицинская и биологическая физика. Киев, в
2005 г. Стор 356-422.
2. В.А.Тиманюк, Е.Н.Животова Биофизика, Харьков 2003 г., Стр.331-377.
3. Под. Ред. Д.С. Парсона, Биологические мембраны. Москва, Атомиздат,1988
г.
Дополнительные
1.Костюк п.Г. и др. Биофизика - К.Вища школа 1988 г.
2. Ремизов а.Н. Медицинская и биологическая физика. - М. 1987 г. Гл.18.стр.
326-331.
VІ. Контрольные вопросы
1.Какие условия учитываются при определении диффузионного
мембранного потенциала?
2. Какие условия учитываются при определении равновесного потенциала
Доннана?
3. Укажите для каких случаев Доннанівський потенциал ближе всего к
потенциалу клетки?
4. Укажите как соотносятся между собой в состоянии покоя
проницаемости мембран живых клеток для ионов.
5. Укажите значение потенциала покоя мембран для эритроцита, миоцита
лягушки, аксона кальмара.
6. Как соотносятся в начальный момент возбуждения проницаемости
мембран для ионов в живых клетках?
7. Укажите причины образования потенциала действия.
8. Чем определяется форма начальной фазы деполяризации мембран при
формировании потенциала действия?
9. Чем определяется фаза реполяризации мембраны при формировании
потенциала действия?
10. Укажите длительность потенциала действия в норме для аксону
кальмара.
11. Возникновение потенциала действия. Какие условия?
12. Эквивалентная электрическая схема участка мембраны.
13. Нарисовать график кинетики активации каналов.
14. Укажите волновое уравнение которое описывает распространение
нервного импульса вдоль аксона.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1.Рассчитайте
равновесный
мембранный
потенциал
∆φ,
создаваемый ионами калия, если их внутриклеточная концентрация С =500
ммоль/л, внеклеточная —С=10 ммоль/л. Температура t = 27 °С.
2.Внутри- и внеклеточная концентрации ионов хлора равны
соответственно С = 150 ммоль/л, С= 500 ммоль/л. Потенциал покоя при этом
∆φ = -32 мВ. Вычислите температуру t клетки.
2
3.Во сколько раз внутриклеточная концентрация ионов калия
должна превышать наружную, чтобы потенциал покоя составлял ∆φ = 91
мВ. Температура t = 37 °С.
4. Вычислите теоретическое значение максимума потенциала
действия ∆φ при температуре t = 37 °С, считая, что цитоплазматическая
мембрана нервного волокна в этих условиях проницаема только для ионов
натрия. Внутри- и внеклеточная концентрации натрия равны соответственно
С= 23 ммоль/л и С= 150 ммоль/л.
5. В покое проницаемости мембраны для ионов калия и натрия
относятся как Рк : Р Na = 1 : 0,04, а при возбуждении.— Р к : Р Na = 1 : 20.
Внутриклеточная концентрация ионов калия составляет 350 ммоль/л,
внеклеточная — в 50 раз меньше; внутриклеточная концентрация ионов
натрия = 50 ммоль/л, внеклеточная — в 10 раз выше. Определите
равновесный потенциал для каждого из этих ионов, величину потенциала
o
покоя ∆φ п и потенциала действия Температура клетки t =27 C
6.С помощью метода «пэтч-клэмп» было зафиксировано, что токи
одиночных калиевых каналов имеют амплитуду I= 2 пА, а среднее время
открытого состояния канала составляет t = 5 мс. Сколько ионов калия
проникает через один канал за один импульс?
7.При фиксированном трансмембранном потенциале φ = -40 мВ был
зарегистрирован трансмембранный ток через одиночный натриевый канал I
=1,6 пА. Вычислите проводимость канала если внутриклеточная
3
концентрация ионов натрия с = 70 ммоль/л, внеклеточная c = 425 ммоль/л,
температура клетки t= 27 °С. При решении необходимо учесть, что в методе
фиксации потенциала ток, направленный из клетки наружу, считается
положительным, а из окружающей среды внутрь — отрицательным.
8.В месте возбуждения немиелинизированного нервного волокна
трансмембранная разность потенциалов составляет 35 мВ. Определите
разность потенциалов
на расстоянии х = 40 мкм, если постоянная длины
этого волокна равна 70 мкм.
9.На каком расстоянии х в немиелинизированном нервном волокне
трансмембранная разность потенциалов уменьшается вчетверо, если
постоянная длины волокна 70 мкм.
10. Трансмембранная разность потенциалов в немиелинизированном
нервном волокне уменьшается вдвое на расстоянии х = 30 мкм. Вычислите
постоянную длины волокна.
11.Вычислите диаметр D аксона, если удельное сопротивление
единицы толщины мембраны = 80 мОм • м, удельное сопротивление
аксоплазмы = 0,4 Ом • м, постоянная длины 4,5 мм
3
1.
В
покое
потенциал
нервной клетки приближается к
равновесному:
а) кальциевому потенциалу;
г) калиевому потенциалу;
б) натриевому потенциалу;
д) потенциалу протонов.
в) хлорному потенциалу;
2.
Во время генерации потенциала действия потенциал нервной
клетки приближается к равновесному:
а) кальциевому потенциалу;
б) натриевому потенциалу;
г) калиевому потенциалу;
д) потенциалу протонов.
в) хлорному потенциалу;
3.
Внутриклеточная среда заряжена по сравнению с внеклеточной:
4
а)
в покое — отрицательно, на максимуме потенциала действия
-положительно;
б) в покое — положительно, на максимуме потенциала действия —
отрицательно;
в) всегда положительно;
г) всегда отрицательно.
4.
Проницаемость мембраны для ионов калия в покое:
а) значительно больше проницаемости для ионов натрия;
5
б)
значительно меньше проницаемости для ионов натрия;
в) приблизительно равна проницаемости для ионов натрия.
5.
Во время генерации потенциала действия проницаемость
мембраны для ионов калия:
а) больше проницаемости для ионов натрия;
б) меньше проницаемости для ионов натрия;
в) приблизительно равна проницаемости для ионов натрия.
6.
Постоянной длины нервного волокна называется расстояние, на
котором:
а) скорость распространения нервного импульса уменьшается в е раз;
скорость распространения нервного импульса увеличивается в е раз;
б)
в)
скорость распространения нервного импульса уменьшается в 10 раз;
г) скорость распространения нервного импульса увеличивается в 10 раз;
д) потенциал уменьшается в е раз.
7.
Скорость распространения нервного импульса пропорциональна
(D — диаметр волокна):
а)
JD для немиелинизированных и миелинизированных нервных
волокон;
б) D для немиелинизированных и миелинизированных нервных волокон;
в) J для немиелинизированных и D для миелинизированных нервных волокон;
г) D для немиелинизированных и JD для миелинизированных нервных
волокон;
д)
2
D для немиелинизированных и миелинизированных нервных
волокон.
6