Embed Size (px)
Citation preview
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
- - +
- -
- -
- -
-
- -
- -
- -
-
- - - - - - -
- -
- -
+
+
-
- -
-
- -
- -
+ + + +
+ +
+
+
- +
+
+ +
+ +
+
+
+ + + +
эритроциты
нейрон
Клетки печени, эпителия
Мышечные волокна
+ + +
+ -
КАК ЭТО происходит ?????
- -
астроцит
+ + +
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
Существуют ли электрические заряды в клетках и в среде вокруг клеток??
Да, это заряженные ионы –катионы (+) и анионы(-)
ядро
МЕМБРАНА КЛЕТКИ -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- -
Цитоплазма –это водный раствор электролитов
К+
К+
К+
К+
К+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
- -
- -
- - -
-
- -
-
катионы анионы
K+
Опыты Луиджи Гальвани – на лапках лягушки
1791 год, Болонья Лапка лягушки Лейденская банка
«Лапка лягушки – это живая Лейденская банка, электрический конденсатор животного электричества!!»
Л. Гальвани:
Алессандро Вольта
«De Viribus Electricatitis in Motu Musculari Commentarius»1791
Спор между Л.Гальвани и А.Вольта
В лапке нет никакого электричества! Электричество – в самом пинцете!
Почему же сокращается лапка ?????
Конец 18-го века
Сокращение
«Мышца – накопитель электричества, а нерв- его проводник!!»
+
-
Лапка раздражается внешним электричеством существующим в паре разнородных металлов !!
Из-за разряда электричества которое накоплено в мышце!
Луиджи Гальвани
Гальванический элемент!!
- - -
+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Опыты по измерению «тока покоя»
в лаборатории Дюбуа Реймона в Берлинском Университете Регистрация эл.тока струнным гальванометром(опыты в 1860-80 –ые годы)
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ Индифферентный электрод
Мышечное волокно
Да, клетка (ее мембрана) - электрический конденсатор, она электрически заряжена,
но в чем причина ? 1850 - 1880 годы
- - - - - - - - - - - - + + + + + + + +
Ток покоя
Как формируется потенциал покоя ???
Людвиг Германн Альтерационная
теория
«Все это - жизненная сила! «
«МЕМБРАНА КЛЕТКИ - избирательно проницаема ТОЛЬКО к КАЛИЮ ,
а калия очень много в клетке, поэтому ионы К+ выходят, а анионы (А-) нет! »…
-
+ + + +
+ + -
-
А-
А- А-
К
+ +
+ +
+
А-
К+
+
+ -
- -
Иоганнес Мюллер
Юлиус Бернштейн
- -
Na
Na
Na Na
Na
K+
1901-1911 Мембранная теория
+ +
+
-
К -
К+
К+
К+
К+
- - А-
А- А-
насос
+ А-
А-
А- К+A-
К+ +
+ + +
+
+
+ +
+ +
+
+ +
+
+
+
+
- -
-
+
К+
К+ - -
А- К К К+
К+ К+
Насос создает перепад концентраций ионов
Это заряжает мембрану!
-
-
-
- -
-
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ – это электрический потенциал, существующий между внутренней
и наружной средой ЛЮБОЙ клетки; он создается на мембране клетки:
изнутри мембрана заряжена отрицательно(-),
а снаружи - положительно(+).
Электрический потенциал на мембране -мембранный потенциал
+
-
-
-
-
-
-
ППо клеток - порядка -60 мВ - - 90мВ !
-
-
-
-
-
-
А-
А-
А- А-
А-
А- ядро
Na+
Na
-
-
-
-
- + +
+
+
+
Na K+ Энергия
Две причины виноваты в появлении потенциала на мембарне, то есть разделении электрич. зарядов на «+»(катионы) и «-»(анионы), скапливающихся по разные стороны мембраны, т.е. в возникновении потенциала покоя на мембране клетки:
1. Перепад концентраций для ионов калия, ( а также Cl - и Na) 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 )
много
Разделение электрич. зарядов по разные стороны мембраны в виде скопления - катионов(+) на наружной cтороне мембраны и - анионов(А-) на внутренней стороне мембраны. 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.
Что такое ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ клетки?
ЭТО:
- -
-
-
-
-
-
-
+
+ +
+
+
+ +
+
микроэлектрод
-65мВ
-
-
- +
+
+ +
+ +
+
+
+
- - -
ЗАЧЕМ НУЖЕН клетке электрический потенциал на мембране
- потенциал покоя ??
Электрический потенциал ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ - помогает ТРАНСПОРТИРОВАТЬ электрически заряженные молекулы через мембрану
Электрический потенциал упорядочивает положение молекул – внутримембранных и околомембранных молекул
Потенциал покоя – необходим для управления ВОЗБУЖДЕНИЕМ клетки
1
2
3
Транспорты через
мембрану
- - -
- - -
-
- +
+ +
+ +
+ +
NB!!! Главная причина
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?
нерв мышца
Электрический ток
Раздражение нерва Что собой представляет этот БИОТОК ???
К+ К+
при возбуждении клетка ТЕРЯЕТ избирательную проницаемость. Это приводит к разрядке мембранного конденсатора и ПП=0 при возбуждении Na
Na
Na Na
Na
Na Са Са
Са
Са
НЕВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА
ВОЗБУДИМАЯ КЛЕТКА
Cl-
- -
- - - - - - - - -
-
- -
-
+
+
+
+
+ +
+
+
+ + + +
+ +
+ +
+
К+ К+
К+ К+
К+ А- А-
А- А-
МП=- 90 мВ МП=- 90 мВ МП=0
К+
К+
К+
Na
Na
Это приводит к исчезновению потенциала на мембране
Г И П О Т Е З А Бернштейнв :
Na/K насос
ЧТО ТАКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ????
В покое !!! При возбуждении!!!
1939 – 1940 гг. Англия против США
Вудс Холл морская станция ,США КАЛЬМАР и
его аксоны
Кайси Коул и Говард Кертис
Плимут, морская станция, Великобритания
Гигантский аксон кальмара Да, при возбуждении аксона
в 40 раз возрастает проводимость (проницаемость )мембраны!!
Главный вопрос 20-го столетия : что такое животное электричество ?
Две команды:
ПРИ возбуждении аксона происходит не разрядка, а ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ!!!!
0
Потенциал покоя - 70 мВ
+30 мВ
АКСОН Пипетка-электрод
электроды
Электрическое раздражение
Электрическое раздражение аксона
1мсек
Потенциал действия !!!
- - - - - - -
- - - - - - -
+ + + + +
+ + + + + + + +
+ + + - - - - - - -
Первая регистрация «потенциала возбуждения»
Na
Механизм возбуждения раскрыт!!! Это - кратковременная проницаемость
мембраны к ионам натрия и электрическая ПЕРЕЗАРЯДКА МЕМБРАНЫ !!
НАТРИЕВАЯ ГИПОТЕЗА Ходжкина –Катца 1949-1955г.г
А. Ходжкин – Э. Хаксли :
ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
В покое Naканалы закрыты
Na+
ПД распространяется вдоль аксона как огонь по бикфордову шнуру
- - +
Потенциал покоя
Потенциал покоя=-60мВ
Потенциал действия =+50мВ
Na+
Потенциалы действия - универсальные электрические сигналы – передатчики
команд от нейрона к нейрону и другим клеткам
Потенциал действия (ПД ) - кратковременный сдвиг мембранного потенциала, сопровождающийся электрической перезарядкой мембраны, происходящий только при возбуждении клетки,
Потенциал покоя
-65мВ
+50мВ ПД
клетка
ППо
Нейрон и его длинный отросток - аксон
Клетки сердца и кровеносных сосудов
ПД аксона ПД миоцита
нейрон
ПД
ПД мышечных волокон скелетных мышц
ПД
Частотный код !!
-65мВ
+40
-60 мВ
0
-80 мВ
+30 мВ
Электрические импульсы – ПД - основа активности ВСЕХ возбудимых систем
МОЗГ
СКЕЛЕТНЫЕ МЫШЦЫ
СЕРДЦЕ
ПД
ПД
ПД
Сокращение
Передача информации
ПД
Прием информации
Сокращение ПД
Нервные импульсы
Все нормальные функции организма обусловлены электрическими взаимодействиями. 1. Работа мышц, в том числе - дыхание и удары сердца, контролируется электрическими токами. 2. Информация, получаемая различными органами чувств, передается в мозг с помощью электрических сигналов(ПД).
Нервная система !! Мышечная система человека СЕРДЦЕ и кровеносные сосуды Железы
ВОЗБУДИМЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ 1 2 3
Кровеносные сосуды
Надпочечники гипофиз и др.
4
ЖЕЛЕЗЫ
ГДЕ возникают и КАК используются ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕЙСТВИЯ В ОРГАНИЗМЕ?
Как электрический ток - - «нервный импульс» –
передается от нейрона к нейрону ?
С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИХ СИНАПСОВ!!
В О П Р О С :
ОТВЕТ :
СИНАПС Передача возбуждения –ПД – через химический
синапс
Медиатор
синапс
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СИГНАЛЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ НА МЕМБРАНЕ
Синапсы сочетают
электрические и химические
сигналы возбуждения
СИНАПС- место контакта отростков нейрона с другой клеткой
П Е Р Е Р Ы В !
Электрическая активность ВОЗБУДИМЫх СИСТЕМ:
ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗУЧЕНИЯ
и использования В 21-ом ВЕКЕ
Изучены свойства Na+- каналов, Са++-каналов , К+-каналов
Молекула Na канала – электрически возбуждаемая саморегулирующаяся молекулярная система
механизм открытия и закрытия канала – активный, заложен в самой молекуле, регулируется
деполяризацией мембраны !!
Активность одиночных каналов МЕТОД «ПЭТЧ-кламп»
+
-
+
-
-90 -75мВ
Э. Неер и Б.Сакман, Германия 1986г. : Ученые впервые! сумели зарегистрировать активность одиночных ионных каналов
Молекула Na-канала
Канал работает по закон «ВСЕ или НИЧЕГО»
«ОТКРЫТ или ЗАКРЫТ» Открытое состояние
Закрытое состояние
Ток через канал
НАРУШЕНИЯ возбудимости клеток- - К А Н А Л О П А Т И И -
следствие 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
Как есть рыбу-фугу и ВЫЖИТЬ???
ПРИРОДНЫЕ ТОКСИНЫ – БЛОКАТОРЫ Na- и Са-каналов
ТЕТРОДОТОКСИН –яд рыбы «фугу», блокатор Na-каналов
ВЕРАТРИДИН –растительный алкалоид
КОНОТОКСИН
Яд из плодов Чемерицы черной
Моллюск рода Conus Блокатор Na и Са
каналов!!
Электромиография скелетных мышц
Э К Г – ЭлектроКардио-Грамма сердца - метод диагностики и изучения работы сердца
Явные изменения в форме ЭКГ!!!
Диагностируем инфаркт!!
ЭЭГ - Электро ЭнцефалоГрамма мозга – это метод диагностики и изучения
электрической активности мозга Повреждение возбуждение
Расслабление
сон
Глубокий сон
Электроэнцефалограмма
Левое полушарие
Правое полушарие
в левом полушарии хорошо диагностируется на ЭЭГ
Оптические методы регистрации электрической активности мозга
МЕТОДЫ 21 ВЕКА
СВЕТЯЩИЕСЯ белки - сенсоры электричества Электрическая активность слуховой коры мозга
Оптическое картирование электрической
активности сердца
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
БИОТОКИ возникающие в мышце
Антенна- приемник биотоков
Усилитель биотоков
Блок преобразования
Биотоков
Управление искусственной рукой – манипулятором
Антенна Усиление и преобразование биотоков БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
МАНИПУЛЯТОР
МЕХАНИЧЕСКИЙМАНИПУЛЯТОР
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 (бессознательные) электрические реакции организма–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
Протез руки
Регистрация и распознавание
ЭЭГ
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!!!!
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
ИНТЕРФЕЙС МОЗГ –КОМПЬЮТЕР - IBC
Основное назначение современных ИМК •
«Протезирование» моторной функции у больных с ее полным (locked-in) или значительным нарушением
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ВОЗБУДИМЫХ КЛЕТОК - П О Л И Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н А :
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ СОСЕДНЕЙ КЛЕТКЕ
СОКРАЩЕНИЕ скелет. мышц, сосудов
и сердца
ВОСПРИЯТИЕ СИГНАЛОВ ОТ ДРУГИХ КЛЕТОК И ИНТЕГРАЦИЯ
Электрическая активность поддерживает жизнеспособность клеток, их специфические функции .
В этом - важная трофическая роль электрических сигналов в организме человека
СЕКРЕЦИЯ желез
З А К Л Ю Ч Е Н И Е :
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
Для получения зачета по курсу, необходимо после каждой лекции ответить, в письменной
форме, на несколько вопросов
Вопросы по лекции N3
4. Вопрос 4. Как используют в медицине электрическую активность мозга и мышц?
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.
На листке должно быть написано следующее:
Ответы на вопросы необходимо написать на листе, указав свои данные
