XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Описывается история открытия проводимости зарядов через мышцы и нервные клетки организма, причины возникновения разности потенциалов в клетках и передача сигналов в нервную систему. Анализируется Уравнение Нернста, синапсы их свойства и роль в нервной системе.

КЛЕТКИ. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ. УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА.

Как нам известно, структурной единицей любого живого существа и человека в том числе является клетка. Клетки объединяются и образуют разные виды тканей, из которых уже образуются органы и их физиологические системы. Нас интересует нервная система, регулирующая физиологические процессы с помощью импульсов, проводимых нервной системой. Проводимость зарядов через нервы и мышцы организмов были открыты случайно в 1786 году Луиджи Гальвани, когда тот проводил эксперимент с электричеством и рядом оказалась лапка лягушки, которая дергалась при возникновении искр у электрической машины, при этом, не касаясь ее. При последующих экспериментах он и Алессандро Вольта обнаружили, что мышцы начинают сокращаться при контакте двух разных металлов. Первый считал, что в теле существует «животный ток», который и создает импульсы, а второй, что все дело в металлах, ведь на тот момент не было известно, что металлы могут создавать электрический ток, и оба оказались правы. Так откуда же возникали импульсы?

Начнем с того, что клетка, представляет собой ядро, окруженное цитоплазмой – водным раствором электролитов с «анионами» - отрицательными зарядами. Их окружает цитоплазматическая мембрана толщиной 8-12 нм, обладающая свойством изменять свою проницаемость для «катионов» - положительных зарядов, расположенных снаружи мембраны. То есть, из-за разных зарядов ионов на мембране возникает и удерживается потенциал покоя? Не совсем, оболочка клетки устроена таким образом, что на ней есть насосы-обменники, меняющие внутренний натрий клетки на наружный калий, в результате чего в клетке оказывается недостаток натрия и избыток калия. Ионы натрия стремятся вернуться внутрь, но клетка их не пропускает, в это же время ионы калия могут спокойно выходить из клетки и уносить положительные заряды, из-за чего возникает пустота внутри нее. Эти пустые места и создают отрицательный потенциал, а в последствии возникает потенциал покоя равный от -60мВ до -90мВ(Рис.1).

Рис.1

Уравнение, описывающее величину заряда мембраны, при которой ионы калия находятся в равновесии, вычисляется уравнением Нернста :

Ем = Ек = R*T /( n*F*ln [ K+]н / [ K+]вн)

где Ек — равновесный потенциал для К+; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; n — валентность К+ (+1), [К+]н и [К+]вн — наружная и внутренняя концентрации К+.

Чтобы учесть проникновение других ионов в клетку существует уравнение Нернста-Гольдмана:

Ем = R*T / n*F*ln Pk[ K+]вн +PNa[ Na+]вн +PCl[ Cl-]н / Pk[ K+]н +PNa[ Na+]н + PCl[ Cl-]вн

где Еm — мембранный потенциал; R — газовая постоянная; Т — аб­солютная температура; F — число Фарадея; РK , PNa и РCl — константы проницаемости мембраны для К+ Na+ и Сl, соответственно; [К+н], [K+вн], [Na+н], [Na+вн], [Сl—н] и [Сl—вн ]- концентрации K+, Na+ и Сl снаружи (н) и внутри (вн) клетки.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ. НЕРВНАЯ СИСТЕМА. СИНАПСЫ.

Итак, мы выяснили, что клетки содержат небольшой заряд, но что же с ним происходит дальше? При раздражении рецептор передает сигнал в нейрон, то есть клетка возбуждается и теряет свою избирательную проницаемость, возникает потенциал действия, который является сигналом и передается дальше по нервной системе в мозг. Рассмотрим подробнее данный процесс.

Потенциал действия (Рис.2) состоит из 3 фаз: деполяризации, реполяризации и гиперполяризации. Деполяризация или фаза нарастания – увеличение проницаемости для натрия из-за открытых натриевых каналов. Натрий стремится к равновесному потенциалу, но каналы быстро инактивируются, после чего происходит реполяризация – возвращение заряда к величине потенциала покоя. Гиперполязия возникает иногда, когда равновесный потенциал по калию превышает потенциал покоя. Характерные особенности потенциала действия это амплитуда, которая максимальна всегда и не зависит от силы раздражителя, и быстрая реполяризация, которая в некоторых участках может составлять миллисекунды.

Рис.2

Возникший импульс передается от одного нейрона к другому с помощью синапсов, различающихся на электрические и химические. Задача синапсов – передача информации с мембраны аксона (пресинаптической мембраны) на мембрану другого аксона или мышцы (постсинаптическую мембрану). Преимуществом электрического синапса заключается в отсутствии задержек, ведь сигнал передается по соединяющим мостикам, но распространен он преимущественно у беспозвоночных и не имеет однонаправленной передачи импульса. Химический в свою очередь широко распространен и устроен сложнее для преобразования электрического сигнала в химический(Рис.3).

Рис.3

Связано это с тем, что между ними есть синаптическая щель шириной 10-15 нм через которую необходимо передать информацию, из-за чего возникают задержки 0,2-0,4 мс. Передают информацию различные химические соединения или же медиаторы. Они «перескакивают» с одного аксона на другой, тем самым передавая сигнал клеткам, которые активируют следующий нейрон и так далее. Скорость движения этих нервных импульсов составляет около 402 км/ч или же 112 м/с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

https://biocpm.ru/potencial-pokoya-i-potencial-deystviya

https://www.bio.msu.ru/res/DOC408/MFK_2013-2014_fiziologiya_i_zdorovie_5_Balezina.pdf

https://kineziolog.su/content/21-membrannyi-potentsial-pokoya-kratko-dotsent-sazonov-vf

https://www.nkj.ru/archive/articles/915/index.php?PAGEN_2=2&ELEMENT_ID=915#nav_start_2

http://www.fizika.ru/fakultat/index.php?theme=8&id=8234

https://vk.com/wall-74058720_2161

https://studme.org/214353/meditsina/ionnye_osnovy_potentsiala_deystviya

https://studme.org/372701/geografiya/stroenie_neyrona_akson_dendrity

https://postnauka.ru/video/66832

https://studme.org/303293/meditsina/stroenie_funktsii_neyrona

http://www.unn.ru/pages/issues/aids/2007/31.pdf

https://zdrav.expert/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%BD%D1%8B

Код для цитирования: Скопировать