5

Физиология клетки

Формирование мембранных потенциалов

Возбудимые ткани (нервная, мышечная, железистая)

• Раздражимость – способность реагировать на раздражитель (изменение в окружающей среде) – характерна для всех живых тканей.

• Возбудимость (характерна для возбудимых тканей) – способность реагировать на раздражитель возбуждением.

• Возбуждение:

  • Генерация потенциала действия

  • Реализация функции (сокращение, проведение возбуждения, секреция)

Ионные каналы

• Виды: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-.

• Cостояние - закрытое, открытое (активированное), инактивированное.

• Управление: потенциал-, лиганд- и механозависимость.

• Блокаторы

• Проницаемость мембраны определяется числом открытых каналов.

Ионный транспорт

• Пассивный: по градиенту концентрации, без затрат энергии;

• Активный: против градиента концентрации с использованием АТФ;

• Вторично активный: один ион – по градиенту, другой – против градиента концентрации.

Равновесный потенциал

• Равновесный потенциал - потенциал, при котором ток данного иона через мембрану равен нулю.

• K⁺ выходит из клетки по градиенту концентраций и переносит с собой заряд => снаружи оказывается некомпенсированный “+”, а внутри – “-”.

• Каждый вышедший ион затрудняет выход последующего (электростатическое взаимодействие).

• Выход K⁺ будет продолжаться до тех пор, пока разность электрических потенциалов не станет такой большой, чтобы полностью остановить движение ионов.

• Эта разность потенциалов и есть равновесный калиевый потенциал (Е_К)

Е_К создается при перемещении очень небольшого количества ионов (концентрации иона внутри и вне клетки практически не меняются).

Термин ”равновесный потенциал” означает, что разность химических потенциалов (концентраций) уравновешивается разностью электрических потенциалов (концентрации не уравновешиваются!):

=>, абсолютная величина Е_К будет тем больше, чем больше трансмембранный градиент концентраций по K⁺.

Проверь себя - равновесный потенциал

Как изменится Е_К при помещении клетки в среду с повышенным содержанием калия (один ответ)?

• деполяризация

• гиперполяризация

• не изменится

Мембранный потенциал (Em, Vm) (потенциал покоя)

• Мембранный потенциал складывается из равновесных потенциалов по различным ионам.

• Вклад равновесного потенциала в мембранный потенциал определяется проницаемостью мембраны для данного иона:

• Чем больше проницаемость для данного иона, тем ближе Vm к равновесному потенциалу по данному иону.

Проверь себя – мембранные потенциалы

Как будет меняться в состоянии покоя равновесный и/или мембранный потенциал (деполяризация, гиперполяризация, не изменится) в следующих условиях:

	EK	Vm
↑ [K+]o
↓ [K+]o

Как будет меняться в состоянии покоя равновесный и/или мембранный потенциал (вверх, вниз, не изменится) в следующих условиях:

	ENa	Vm
↑ [Na+]o
↓ [Na+]o

Как будет меняться в состоянии покоя равновесный и/или мембранный потенциал (деполяризация, гиперполяризация, не изменится) в следующих условиях:

	EK	ENa	Vm
↓PK
↑PK
↑PNa

Потенциал действия (ПД)

ПД - быстрое колебание Vm, связанное с открытием сначала Na, а потом K каналов. Потенциалзависимость ионных каналов: при деполяризации Na и K каналы открываются, а затем инактивируются.

ПД подчиняется закону «все или ничего»

Проверь себя – мембранные потенциалы

Что произойдет, если клетку поместить в гипонатриевую среду (несколько ответов)?

• Деполяризация ПП

• Гиперполяризация ПП

• ПП не изменится

• Амплитуда ПД увеличивается

• Амплитуда ПД уменьшается

• Амплитуда ПД не изменится

Возбудимость и рефрактерность

• Равновесный потенциал зависит от трансмембранной разности концентраций данного иона.

• Мембранный потенциал зависит от равновесных потенциалов и проницаемости мембраны для данных ионов.

• Потенциал действия возникает вследствие Na⁺ и K⁺-токов через потенциалзависимые каналы.

• Потенциал действия подчиняется закону «все или ничего».

Рефрактерность

• Возбудимость зависит от состояния Na⁺ каналов:

  • открыты - клетка возбуждена;

  • закрыты - клетка не возбуждена, но способна к возбуждению (возбудима);

  • инактивированы - клетка невозбудима (рефрактерна).

• Период, в течение которого клетка невозбудима – рефрактерный период (РП).

• Степень инактивации Na⁺ каналов зависит от потенциала: чем более деполяризована мембрана, тем больше инактивированных каналов.

• Поскольку Na⁺ каналы инактивированы, когда мембрана деполяризована, длительность РП зависит от длительности ПД.

• Лабильность - максимальная возможная частота ПД (Н.Е.Введенский).

• Чем короче ПД, тем короче РП, тем выше лабильность клетки.

Изменение возбудимости

• Чем ближе V_M к Е_кр, тем более возбудима клетка.

Проверь себя - изменение возбудимости

Как изменится возбудимость при кратковременной подпороговой деполяризации (например, при снижении калиевой проводимости) (один ответ)?

• повысится

• понизится

• не изменится

Как изменится возбудимость при кратковременной гиперполяризации (один ответ)?

• повысится

• понизится

• не изменится

• Возбудимость зависит не только от Vm, но и от Екр

• Длительная подпороговая деполяризация приводит к инактивации Na⁺ каналов (Екр­) и снижает возбудимость.

• Длительная гиперполяризация приводит к восстановлению Na⁺ каналов после инактивации (Екр¯) и повышает возбудимость.

• Чем больше в покое инактивированных натриевых каналов, тем выше Е_кр.

Проверь себя - изменение возбудимости

Как изменится возбудимость при стойкой подпороговой деполяризации, например, при повышении внеклеточной концентрации калия или длительном действии подпорогового стимула (один ответ)?

• повысится

• понизится

• не изменится

• Аккомодация, или депрессия, - снижение возбудимости при длительном действии подпорогоового стимула.

• Закон Пфлюгера: при кратковременном действии постоянного тока возбудимость под катодом растет, а под анодом снижается, при длительном действии - под катодом снижается, а под анодом растет.

Проверь себя – кратковременное действие тока

	Катод (-)	Анод (+)
Изменение потенциала (деполяризация или гиперполяризация)
Степень инактивации Na-каналов (↑,↓,=)
Екр (↑,↓,=)
Возбудимость (↑,↓,=)

Проверь себя – длительное действие тока

	Катод (-)	Анод (+)
Изменение потенциала (деполяризация или гиперполяризация)
Степень инактивации Na-каналов (↑,↓,=)
Екр (↑,↓,=)
Возбудимость (↑,↓,=)

Таким образом,

Возбудимость определяют два фактора:

• Мембранный потенциал;

• Критический уровень деполяризации,

  • который зависит от количества инактивированных в покое Na⁺ каналов,

    • которое зависит от мембранного потенциала.

• Небольшие смещения мембранного потенциала изменяют Е_кр, только если они длительные

Оценка возбудимости

• Для того, чтобы вызвать возбуждение стимул должен обладать определенной силой и определенной длительностью, не ниже порогового значения.

• Чем больше сила стимула, тем меньше может быть его длительность, и наоборот.

Выводы

• Возбудимость – способность генерировать ПД.

• Чем ближе V_M к Е_кр, тем больше возбудимость.

• Vm определяется проницаемостью мембраны для различных ионов и их концентрациями.

• Е_кр определяется степенью инактивации Na каналов.

• Полная инактивация Na каналов - причина рефрактерности.

• Длительность рефрактерного периода соответствует длительности ПД.

Распространение возбуждения по волокнам

• Генерация ПД в точке А.

• Точка А – источник деполяризующего тока для соседнего участка (точка Б).

• Когда в точке Б деполяризация достигает Е_Кр, в ней формируется стереотипный ПД. Точка А в это время рефрактерна.

• Точка Б – источник деполяризующего тока для точки В и т.д.

• По миелиновым волокнам импульс распространяется быстрее вследствие более мощного тока, который идет через перехват Ранвье.

Причины усиления тока:

• Большее количество натриевых каналов в мембране перехвата.

• Отсутствие шунтирования токов на межперехватных участках.

Закономерности проведения импульса по нервным волокнам

• Двустороннее;

• Бездекрементное (без затухания);

• Без утомления;

• По отдельным волокнам одного нервного ствола изолированное;

• ПД не способны к суммации;

• Факторы, влияющие на скорость проведения:

  • деполяризующий ток (dV/dt max), диаметр волокна, сопротивление мембраны, миелиновая оболочка (+)

  • сопротивление внутриклеточной среды, емкость мембраны (-)

Классификация нервных волокон

Нервные волокна классифицируются по диаметру и скорости проведения.

Классификации:

• По Эрлангеру-Гассеру (Aα, Aβ, Aγ, Aδ, B, C);

• По Ллойду-Ханту (только афферентные волокна) (Ia, Ib, II, III, IV).

Проверь себя – проведение возбуждения по волокнам

Амплитуда ПД на конце аксона по сравнению с ПД в начале аксона будет (один ответ):

• больше

• меньше

• такой же

Можно ли в эксперименте заставить возбуждение распространяться по волокну ретроградно (противоположно естественному направлению) (один ответ)?

• да

• нет

Межклеточная передача возбуждения: химический синапс, электрический синапс

Медиаторы:

• Медиатор, или нейротрансмиттер, передается от клетки к клетке путем диффузии (без участия кровотока). Медиатор меняет проницаемость постсинаптической мембраны.

• Нейрогормоны (либерины, эндорфины, пептиды) действуют не только в области синапса.

• «Дополнительные» медиаторы – медиаторы, находящиеся в окончании вместе с основным медиатором.

• Нейромодуляторы – вещества, не оказывающие прямого влияния на проницаемость постсинаптической мембраны, но изменяющие действие медиаторов на нее.

• Агонисты – вещества, действующие так же, как медиатор; антагонисты – вещества, блокирующие действие медиатора.

Примеры медиаторов:

• ацетилхолин, АХ (нервно-мышечные синапсы, автономная система, ЦНС)

• моноамины:

  • норадреналин, НА (симпатическая система, ЦНС)

  • дофамин (ЦНС)

  • серотонин (5-гидрокситриптамин), 5-НТ (ЦНС)

• аминокислоты:

  • глутамат (главный возбуждающий медиатор ЦНС)

  • глицин (главный тормозной медиатор спинного мозга)

  • гамма-аминомасляная кислота, ГАМК (главный тормозной медиатор головного мозга)

• пептиды: вещество Р, галанин, нейропептид Y, соматостатин и др. (автономная система, ЦНС)

Передача возбуждения в химическом синапсе

• Поскольку МП намного ближе к Е_К, чем к Е_Na, ЭДС Na тока > ЭДС K тока ® при одновременном открытии Na и K каналов – деполяризация (входящий Na ток).

Механизм синаптической передачи возбуждения:

• Распространение ПД по аксону. Деполяризация пресинаптической мембраны.

• Открытие Са²⁺ каналов пресинаптической мембраны, и вход Са²⁺ в терминальную бляшку.

• Са²⁺ -зависимый экзоцитоз медиатора с участием белков синаптобревина и синаптотагмина.

• Медиатор (АХ для концевой пластинки) квантами выделяется в синаптическую щель и диффундирует к постсинаптической мембране.

• Медиатор взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны, ­ ее проницаемость для Na и K и формируется миниатюрный потенциал концевой пластинки (МПКП).

• Суммация нескольких МПКП, и формирование потенциала концевой пластинки (ПКП), или возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП).

• В случае, если ВПСП достигает порога, формируется ПД на постсинаптической мембране.