Физиология открытие животного электричества

История открытия биоэлектричества и его изучения

Первые работы, направленные на изучение «животного электричества», появились еще в 18 веке и были связаны с изучением электрических органов глубоководных животных. Они подготовили почву для работ Гальвани, который считается основателем электрофизиологии. Открытие биоэлектричества у лягушек связано с «балконным опытом». На первых этапах своей работы Гальвани изучал влияние различных электрических разрядов на нервно-мышечный препарат задней лапки лягушки. Во время подготовки он обнаружил, что касание препарата задних лапок лягушки, висящего на медном крючке, железных прутьев балкона приводило к сокращению мышц. Он предположил, что между мышечной и нервной тканью есть разность потенциалов, а сокращение мышц происходит в ходе замыкания цепи, в которой железные прутья и медный крючок служили проводниками.

А. Вольт трактовал данное явление как результат возникновения постоянного тока в цепи из разных металлов. По его мнению, в роли проводника выступал препарат. И он был прав.

В последствии Гальвани с учениками доказали существование «животного электричества» с помощью второго опыта, где был исключен контакт разнородных металлов.

Второй опыт Гальвани: в процессе эксперимента он набросил дистальный отрезок седальщного нерва на препарированную икроножную мышцу лягушки, находящуюся в состоянии возбуждения. Следствием стало сокращение мышцы.

Второй этап изучения биоэлектричества связывают с Эмилем Дю Буа-Реймона. Он показал, что при замыкании измерительной электрической цепи между поврежденным и неповрежденным участком мышцы, можно зарегистрировать электрический ток, который он назвал «ток покоя». При возбуждении мышцы величина этого тока уменьшалась. Такое колебание «тока покоя» он назвал «током действия». Опыт позволял предположить, что между поверхностью мышечной клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов. При пересечении мышцы мы обеспечиваем доступ к протоплазме мышечных клеток, а помещая в этот участок элктрод, второй вход которого соединен с поврежденным участком, экспериментатор оценивает разность потенциалов между указанными точками.

Мембранный потенциал (потенциал покоя). Способы обнаружения.

Трансмембранная разность потенциалов имеется у всех возбудимых клеток. Для клетки в покое это – мембранный потенциал покоя. Он играет ключевую роль в процессах возбуждения нервов, мышц, эндокринных клеток.

Факторы, обеспечивающие возникновение МПП:

• Неодинаковая концентрация потенциалообразующих ионов внутри и вне клетки.
• Неодинаковая проницаемость клеточной мембраны для различных ионов.
• Электрогенный вклад натрий-калиевого насоса.

Мембранный потенциал является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны.

В покое снаружи мембраны преобладают положительные заряды, а внутри – отрицательные. Такое разделение сохраняется благодаря тому, что билипидный слой препятствует диффузии ионов. Разделение зарядов приводит к возникновению разности электрических потенциалов.

Мембранно-ионная теория МПП:

1. В возбудимых клетках специальные энергозатратные механизмы создают ионную асимметрию между межклеточной жидкостью и цитоплазмой клетки. ( например, натрий-калиевый насос аккумулирует ионы натрия за пределами клетки, а ионы калия – внутри)
2. Разделение зарядов относительно клеточной мембраны при формировании мембранного потенциала покоя связано с движением ионов калия по концентрационному градиенту через каналы, открытые в покое. При этом анионы органических кислот остаются в цитоплазме, формируя там электроотрицательность. Кроме того, эо цитоплазмы обусловлена вхождением в нее ионов хлора.
3. Генерация мембранного потенциала покоя – пассивный процесс, не требующий затрат энергии. Однако энергия необходима для установления первоначального концентрационного градиента, а таеже для его поддержания в процессе активности клеток.

Для регистрации МПП чаще всего используются микроэлектроды. Острый стеклянный микроэлектрод, заполненный концентрированным солевым раствором, подводят к клетке, а второй – помещают во внеклеточную жидкость. Оба электрода присоединяются к усилителю и осциллографу для регистрации потенциала. На осциллографе отсутствует потенциал, тк оба электрода снаружи клетки. в момент прокалывания клеточной мембраны и попадания кончика электрода в цитоплазму, осциллограф регистрирует появление отрицательного потенциала, соответствующего МПП.

Ведущими факторами в формировании потенциала покоя служат полупроницаемость мембраны и ионная асимметрия.

Ионная асимметрия представляет собой неодинаковое распределение ионов по обе стороны от мембраны. Так, внутри клетки содержится больше ионов Калия, при этом снаружи – больше ионов Натрия и Хлора.

Избирательная проницаемость. В состоянии покоя клеточная мембрана обладает неодинаковой проницаемостью для различных ионов. Она проницаема для ионов калия, малопроницаема для ионов хлора и вообще не проницаема для органических веществ.

За счет этих факторов создаются условия для движения ионов, которое в данной ситуации осуществляется пассивно, без затрат энергии. Так, ионы калия выходят из клетки, усиливая там положительный заряд, а ионы хлора напротив, входят в клетку, повышая отрицательный заряд.

Такое движение продолжается до наступления электрохимического равновесия.

Однако для поддержания ионной асимметрии недостаточно только диффузии ионов. Натрий-калиевый насос обеспечивает активный транспорт ионов против градиентов концентрации: калия – внутрь клетки, а натрия – наружу. Именно за счет этого создается база для диффузии ионов, а значит для поддержания МПП.

Суммарную разность потенциалов между поверхностью клетки и ее содержимым можно рассчитать по уравнению Гольдмана:

Где Е – разность потенциалов, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура по Кельвину, F – число Фарадея, P – константы проницаемости для соответствующих ионов (н – на поверхности, в – внутри клетки).

Источник

3.2. Открытие «животного электричества» и его сущность

В конце XVIII в. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целена­правленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая препарат обнаженных задних лапок лягушек с помощью медного крючка на железной решетке, Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они отчетливо сокращались. Гальвани высказал предположение, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, ис­точником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нер­вы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокра­щения мышц явился электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов (меди и железа — гальваниче­ская пара) с тканями лягушки. Для проверки своей гипотезы Галь­вани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывали на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась, что является доказательством «животного электричества».

Впервые регистрация биоэлектрических явлений была осуществ­лена с помощью гальванометра, одну из клемм которого присоеди­няли к поврежденному участку мышцы, другую — к неповрежденному (Маттеучи, 1838). При этом стрелка гальванометра отклонялась. Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки в прежнее — нулевое — положение. В настоящее время сущест­вует много различных вариантов регистрации биоэлектрических яв­лений, но их можно объединить в две основные группы: по местопо­ложению электродов (внутриклеточное и внеклеточное отведение) и по числу отводящих электродов (монополярное, биполярное, муль-типолярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения один электрод ак­тивный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз боль­ше, чем площадь активного электрода. При внутриклеточном отве­дении применяется стеклянный микроэлектрод, который представля­ет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5-1,0 мкм. Микро­электрод заполняют ЗМ КС1. В широкую часть его вставляют сереб­ряную проволочку, которую соединяют с регистрирующим устрой­ством. Индифферентным внеклеточным электродом является хлори­рованная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способна функционировать в течение нескольких часов. Мик­роэлектродный способ регистрации биопотенциалов обеспечил изу­чение механизмов формирования электрических зарядов клеткой, возникновения возбуждения в живых клетках. Однако еще задолго до появления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В на­стоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирова­ния мембранного потенциала покоя и мембранного потенциала дейст­вия, т.е процесса возбуждения клетки.

Источник

1.2 «Животное электричество». Опыты Гальвани и Матеучи

В конце XVIIIв. (1786) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным ис­следованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, под­вешивая с помощью медного крючка на железной решетке пре­парат задних лапок лягушек со снятой кожей, ученый обнару­жил, что всякий раз, когда мышцы касались решетки, они отчет­ливо сокращались. Л. Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные тка­ни» — мышцы и нервы.

Однако другой итальянский исследователь — физик и физио­лог Вольта — оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в обла­сти контакта двух разнородных металлов: меди и железа (гальва­ническая пара) — с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л. Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв не­рвно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежден­ного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Во вто­ром опыте были получены абсолютные доказательства существо­вания «животного электричества».

Окончательное доказательство су­ществования электрических явлений в живых тканях было получено в опы­те Матеуччи, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы раздража­ли нерв второго нервно-мышечного препарата.

1.3 Мембранный потенциал покоя. Метод регистрации, механизмы происхождения и поддержания

Для исследования биоэлектрических явлений (рис. 2) в клетках применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки, наполненные электролитом, с очень тонким – 0,5 мкм – кончиком). В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло – изолятора. Когда кончик микроэлектрода находится в межклеточной жидкости, между ним и индифферентным электродом (находящимся там же) разность зарядов равна нулю (рис. А). Если микроэлектрод ввести внутрь клетки, то регистрирующая установка мгновенно покажет некоторый постоянный электроотрицательный потенциал по отношению к электроду, расположенному в окружающей клетку жидкости (рис. Б).

При выведении кончика микроэлектрода из клетки возвратным движением или прокалывание ее насквозь разность потенциалов между электродами скачкообразно исчезает. Разность зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны клетки называют мембранным потенциалом (МП). В покое эта величина варьирует от -9 до -100 мВ в зависимости от вида ткани и называется мембранным потенциалом покоя (МПП). Следовательно, в состоянии покоя клеточная мембранаполяризована. Уменьшение величины МПП называютдеполяризацией, увеличение –гиперполяризацией, восстановление исходного значения –реполяризацией мембраны (рис.3).

МПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов возбуждения в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца.

Согласно мембранно-ионной теории (Бернштейн, Ходжкин, Хаксли, Катц) непосредственной причиной формирования МПП является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки (рис. 4).

Источник