Все живые клетки при действии различных
раздражителей (химических, механических,
температурных и пр.) способны переходить
в возбужденное состояние. Опыт показывает,
что возбужденный участок становится
электроотрицательным по отношению к
покоящемуся, что является показателем
перераспределения ионных потоков в
возбужденном участке. Реверсия потенциала
при возбуждении кратковременна, и после
окончания возбуждения через некоторое
время вновь восстанавливается исходный
потенциал покоя. Общее изменение разности
потенциалов на мембране, происходящее
при возбуждении клеток, называется
потенциалом действия. На рис. 11.17
представлен потенциал действия
гигантского аксона кальмара, обозначены
отдельные стадии изменения потенциала.
В частности, для клетки характерен так
называемый запаздывающий потенциал,
когда в течение некоторого времени на
мембране существует даже меньший
потенциал, чем потенциал покоя.
Было показано, что возбуждение связано
с увеличением электропроводности
клеточной мембраны. При этом временная
зависимость электропроводимости
повторяла форму потенциала действия.
Чтобы решить вопрос, для каких ионов
изменяется проницаемость м
ембраны,
следует обратить внимание, что потенциал
действия приводит к кратковременному
возрастанию потенциала внутри клетки
(см. рис. 11.17). Отрицательный относительно
внешней среды потенциал становится
положительным. Если по уравнению Нернста
(11.38) вычислить равновесные потенциалы
на мембране аксона кальмара, то получим
соответственно для ионов К+, Na+ и Сl—величины -90, +46 и -29 мВ. Так как при
изменении проницаемости мембраны для
какого-либо иона этот ион будет проникать
через нее, стремясь создать равновесное
состояние, то числовые данные показывают,
что внутрь клетки проникают ионы Na+,
создавая там положительный потенциал.
Следовательно, при возбуждении клетки
в начальный период увеличивается
проницаемость мембран именно для ионов
натрия. «Натриевая теория» возникновения
потенциала действия была предложена,
разработана и экспериментально
подтверждена А. Ходжкином и А. Хаксли,
за что в 1963 г. они были удостоены
Нобелевской премии.
Измерить проницаемость мембран для
какого-либо иона (иначе говоря,
электропроводимость или сопротивление
мембраны для этого иона) можно, если на
основании закона Ома найти отношение
тока к напряжению, или наоборот.
Практическая реализация такой задачи
осложняется тем, что проницаемость
(электрическое сопротивление) мембраны
при возбуждении изменяется со временем.
Это приводит к перераспределению
электрического напряжения в цепи, и
разность потенциалов на мембране
изменяется. Ходжкин, Хаксли и Катц смогли
создать опыт с фиксацией определенного
значения разности потенциала на мембране.
Это позволило им провести измерение
ионных токов и, следовательно, проницаемости
(сопротивления) мембран для ионов.
Оказалось, что отношение проницаемостей
мембраны для ионов натрия и калия
практически повторяет форму потенциала
действия. Кроме того, были получены
кривые временной зависимости ионных
токов через мембрану (рис. 11.18). На этом
рисунке кривая1соответствует
временной зависимости суммарного
ионного тока через мембрану гигантского
аксона кальмара, полученного при
изменении потенциала на мембране до
+56 мВ (потенциал покоя равен60
мВ). Вначале направление тока отрицательно,
что соответствует прохождению
положительных ионов через мембрану
клетки. Было установлено, что ток этот
обусловлен прохождением ионов натрия
внутрь клетки, где концентрация их
значительно меньше, чем снаружи.
Естественно, что при таком нарушении
равновесия ионы калия начнут перемещаться
наружу, где их концентрация существенно
меньше. Для того чтобы выяснить, какая
часть тока «натриевая», а какая «калиевая»,
можно провести то же возбуждение, но в
искусственных условиях, когда в среде,
окружающей аксон, нет натрия. В этом
случае (см. кривую 2) ток обусловливается
только выходом ионов калия наружу из
клетки. Разница значений тока для двух
кривых показана на кривой3: кривая3есть разность кривых1и2.
Она дает зависимость от времени ионного
тока натрия. На этой кривой частьасоответствует открыванию натриевых
каналов, аб— их закрытию
(инактивации).
В целом
последовательность событий, происходящих
на клеточной мембране при возбуждении,
выглядит следующим образом. При
возбуждении в мембране открываются
каналы для ионов натрия (проницаемость
мембраны возрастает более чем в 5000 раз).
В результате отрицательный заряд с
внутренней стороны мембраны становится
положительным, что соответствует пику
мембранного потенциала (фаза деполяризации
мембраны). Затем поступление натрия из
внешней среды прекращается. В это время
натриевые каналы закрываются, но
открываются калиевые. Калий проходит
в соответствии с градиентом концентрации
из клетки до тех пор, пока не восстановится
первоначальный отрицательный заряд на
мембране и мембранный потенциал не
достигнет своего первоначального
значения (фаза реполяризации). На самом
деле выход ионов калия из клетки
продолжается дольше, чем это требуется
для восстановления потенциала покоя.
В результате за пиком потенциала действия
следует небольшой минимум (запаздывающий
потенциал).
Ионные
каналы имеют белковое происхождение
(см. рис. 11.3 и 11.13). Они селективно
(выборочно) пропускают ионы разного
вида. Канал может быть «закрыт»
(блокирован) молекулами ядов, его
пропускная способность зависит от
действия некоторых лекарственных
средств. Поэтому теория ионных каналов
в мембранах является важной частью
молекулярной фармакологии.
Механизм распространения потенциала
действия в деталях рассматривается в
курсе нормальной физиологии. Мы же
рассмотрим лишь некоторые основные
положения. Распространение потенциала
действия вдоль нервного волокна (аксона)
обусловлено возникновением так называемыхлокальных токов, образующихся
между возбужденным и невозбужденным
участками клетки. На рис. 11.19 схематично
указаны отдельные стадии возникновения
и распространения потенциала действия.
В состоянии покоя (рис. 11.19, а) внешняя
поверхность клеточной мембраны имеет
положительный потенциал, а внутренняя
— отрицательный. В момент возбуждения
полярность мембраны меняется на
противоположную (рис. 11.19,б). В
результате этого между возбужденным и
невозбужденным участками мембраны
возникает разность потенциалов. Наличие
разности потенциалов и приводит к
появлению между этими участкамилокальных
токов. На поверхности клетки локальный
ток течет от невозбужденного участка
к возбужденному; внутри клетки он течет
в обратном направлении (рис. 11.19, в).
Локальный ток, как и любой электрический
ток, раздражает соседние невозбужденные
участки и вызывает увеличение проницаемости
мембраны. Это приводит к возникновению
потенциалов действия в соседних участках.
В то же время в ранее возбужденном
участке происходят восстановительные
процессы реполяризации. Вновь возбужденный
участок в свою очередь становится
электроотрицательным и возникающий
локальный ток раздражает следующий
за ним участок. Этот процесс многократно
повторяется и обусловливает распространение
импульсов возбуждения по всей длине
клетки в обоих направлениях (рис. 11.19,г). В нервной системе импульсы
проходят лишь в определенном
направлении из-за наличия синапсов,
обладающих односторонней проводимостью.
По
электрическим свойствам аксон напоминает
кабель с проводящей сердцевиной и
изолирующей оболочкой. Однако для того
чтобы в кабеле не было значительных
потерь энергии при протекании
тока, сопротивление его должно быть
малым, а сопротивление
изоляции — очень большим. В аксоне
проводящим веществом
служит аксоплазма, т. е. раствор
электролита, удельноесопротивление
которого в миллионыраз
больше, чем у меди или алюминия,
из которых изготавливают обычные
кабели. Удельное сопротивление биомембран
достаточно велико, но вследствие их
малой толщины сопротивление изоляции
«аксонного кабеля» в сотни тысяч раз
меньше, чем у технического кабеля. По
этой причине однородное н
ервное
волокно не может проводить электрический
сигнал на далекое расстояние, интенсивность
сигнала быстро затухает. Расчеты
показывают, что напряжение на мембране
волокна будет экспоненциально уменьшаться
по мере удаления от места возбуждения
(рис. 11.20). Если величина потенциала
действия в месте возбуждения была равна mах,
то на расстоянии l
от этого места потенциал на мембране
будет равен:
(11.40)
где
—
постоянная
длины нервного
волокна, которая определяет степень
затухания сигнала в аксоне по
экспоненциальному закону. Эту величину
можно рассчитать по следующей приближеннойформуле:
(11.41)
где
d
— диаметр
волокна, R
— поверхностное
сопротивление мембраны
в Ом • м2
(т. е. сопротивление 1 м2
ее поверхности) и
— удельное сопротивление аксоплазмы
в Ом • м.
Расчеты,
проведенные для аксона кальмара,
показывают, что на
конце аксона величина сигнала должна
быть ничтожно малой. Однако
существование локальных токов приводит
к тому, что возбуждение
передается по нервному волокну без
затухания. Это объясняется тем, что
локальные токи лишь деполяризуют
мембрану до
критического уровня, а потенциалы
действия в каждом участке
мембраны поддерживаются независимыми
ионными потоками, перпендикулярными
к направлению распространения возбуждения.
Из
(11.40) видно, что с увеличением
степень затухания сигнала
уменьшается. Было показано, что при этом
возрастает скорость проведения импульса,
а это очень важно для жизнедеятельности
любого организма. Величины
и
примерно одинаковы
для всех животных
клеток, и поэтому увеличения постоянной
длины
можно добиться путем увеличения диаметра
d
аксона. Именно
поэтому у кальмаров аксоны достигают
«гигантских» размеров (диаметр до 0,5
мм), что обеспечивает кальмару достаточно
быстрое проведение нервного импульса
и, следовательно, быстроту реакции
на внешние раздражители.
У
высокоорганизованных животных с развитой
нервной системой
толстые волокна оказываются неэкономичными,
и затухание сигнала предотвращается
другим способом. Мембраны аксонов у них
покрытымиелином — веществом,
содержащим много холестерина и мало
белка (рис. 11.21). Удельное сопротивление
миелина значительно
выше удельного сопротивления других
биологических мембран. Помимо этого,
толщина миелиновой оболочки во много
раз больше толщины обычной мембраны,
что приводит к возрастанию диаметра
волокна и соответственно величины.
Как видно из рис. 11.21, миелиновая оболочка
не полностью покрывает
все волокно; оно разделено на отдельные
сегменты, между которыми на участках
длиной около 1 мкм мембрана аксона
непосредственно соприкасается с
внеклеточным раствором. Области, вкоторых мембрана
контактирует с раствором, называют
перехватами Ранвье. В связи с
большим сопротивлением миелиновой
оболочки по поверхности
аксона токи протекать не могут, и
затухание сигнала резко уменьшается.
При возбуждении одного узла возникают
токи между ним и другими узлами. Ток,
подошедший к другому узлу, возбуждает
его, вызывает появление в этом местепотенциала действия,
и процесс распространяется по всему
волокну. Затраты энергии на
распространение сигнала по волокну,покрытому миелином,
значительно меньше, чем по
немиелинизированному, так как общее
количество ионов натрия, проходящих
через мембрану
в области узлов, значительно меньше,
чем если бы они проходили через всю
поверхность мембраны. При некоторых
заболеваниях структура миелиновых
оболочек нарушается, и это
приводит к нарушению проведения нервного
возбуждения. При блокировании узлов
нервного волокна анестезирующими
средствами, например ядом кураре,
сопротивление аксона возрастает и
прохождение сигналов по нерву замедляется
или совсемпрекращается.
Поскольку
узлы замыкаются через аксоплазму и
внеклеточную
среду, то можно предположить, что при
увеличении сопротивления внешней среды
скорость проведения нервного импульса
уменьшится. Это предположение было
проверено на опыте. Нервные
волокна сначала помещали в морскую
воду, а затем в масло с большим удельным
сопротивлением. Скорость проведения
импульса во втором случае уменьшалась
в 1,5—2 раза (в зависимости от диаметра
волокна).
Существует
некоторая формальная аналогия между
распространением потенциала действия
по нервному волокну и электромагнитной
волной в двухпроводной линии или
коаксиальном кабеле. Однако между этими
процессами имеется существенное
различие.Электромагнитная
волна, распространяясь в среде, ослабевает,
так как растрачивает свою энергию.
Волна возбуждения, проходящая
по нервному волокну, не затухает, получая
энергию в самой
среде (энергию заряженной мембраны).
Волны, получающие энергию из среды
в процессе распространения, называютавтоволнами,
а среду —
активно-возбудимой
средой (ABC).
В § 11.9
будут рассмотрены более подробно
свойства авто волн, распространяющихся
в ABC.
Соседние файлы в папке лекции 2008-09
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Потенциал покоя и потенциал действия
Автор статьи Зыбина А.М.
Мембрана всех живых клеток поляризована. Внутренняя сторона мембраны несет отрицательный заряд по сравнению с межклеточным пространством (рис. 1). Величина заряда, который несет мембрана называется мембранным потенциалом (МП). В невозбудимых тканях МП низкий, и составляет около -40 мВ. В возбудимых тканях он высокий, около -60 — -100 мВ и называется потенциалом покоя (ПП).
Потенциал покоя, как и любой мембранный потенциал формируется за счет избирательной проницаемости клеточной мембраны. Как известно, плазмолемма состоит из липидного бислоя, через который движение заряженных молекул затруднено. Белки, встроенные в мембрану, могут избирательно изменять проницаемость мембраны для различных ионов, в зависимости от приходящих стимулов. При этом, для формирования потенциала покоя ведущую роль играют ионы калия, кроме них важны ионы натрия и хлора.
Рис. 1. Концентрации и распределение ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.
Большинство ионов распределяются неравномерно с внутренней и внешней стороны клетки (рис. 1). Внутри клетки концентрация ионов калия выше, а натрия и хлора – ниже, чем снаружи. В состоянии покоя мембрана проницаема для ионов калия и практически непроницаема для ионов натрия и хлора. Несмотря на то, что калий может свободно выходить из клетки, его концентрации остаются неизменными благодаря отрицательному заряду на внутренней стороне мембраны. Таким образом, на калий действуют две силы, находящиеся в равновесии: осмотические (градиент концентрации К+) и электрические (заряд мембраны), благодаря чему число входящих в клетку ионов калия равно выходящим. Движение калия осуществляется через калиевые каналы утечки, открытые в состоянии покоя. Величину заряда мембраны, при которой ионы калия находятся в равновесии можно вычислить по уравнению Нернста:
Ем = Ек = RT / nF 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] — [К+вн] — наружная и внутренняя концентрации К+.
Если подставить в уравнение значения из таблицы на рис. 43, то мы получим величину равновесного потенциала, равную примерно -95 мВ. Это значение вписывается в диапазон мембранного потенциала возбудимых клеток. Отличия ПП разных клеток (даже возбудимых) могут возникать по трем причинам:
- отличия внутриклеточной и внеклеточной концентраций ионов калия в разных тканях (в таблице приведены данные по среднестатистическому нейрону);
- натрий-калиевая АТФаза может вносить свой вклад в значение заряда, так как она выводит из клетки 3 Na+ в обмен на 2 К+;
- несмотря на минимальную проницаемость мембраны для натрия и хлора, эти ионы все-таки могут попадать в клетки, хоть и от 10 до 100 раз хуже, по сравнению с калием.
Чтобы учесть проникновение других ионов в клетку существует уравнение Нернста-Гольдмана:
Ем = RT / nF 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.
Такое уравнение позволяет установить более точную величину ПП. Обычно, мембрана оказывается на несколько мВ менее поляризована, по сравнению с равновесным потенциалом для К+.
Потенциал действия (ПД) может возникать в возбудимых клетках. Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то ПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет кратковременная перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной, после чего восстановится ПП. Это кратковременное изменение ПП, происходящее при возбуждении клетки называется потенциалом действия.
Возникновение ПД возможно благодаря тому, что в отличие от ионов калия, ионы натрия далеки от равновесия. Если подставить в уравнение Нернста натрий вместо калия, то мы получим равновесный потенциал, равный примерно +60 мВ. Во время ПД, происходит кратковременное увеличение проницаемости для Na+. При этом, натрий начнет проникать в клетку под действием двух сил: по градиенту концентрации и по заряду мембраны, стремясь подстроить заряд мембраны под свой равновесный потенциал. Движение натрия осуществляется по потенциал-зависимым натриевым каналам, которые открываются в ответ на смещение мембранного потенциала, после чего сами инактивируются.
Рис. 2. Потенциал действия нервного волокна (А) и изменение проводимости мембраны для ионов натрия и калия (Б).
На записи ПД выглядит как кратковременный пик (рис. 44), имеющий несколько фаз.
- Деполяризация (фаза нарастания) (рис. 44) – увеличение проницаемости для натрия из-за открытия натриевых каналов. Натрий стремится к своему равновесному потенциалу, но не достигает его, так как канал успевает инактивироваться.
- Реполяризация – возвращение заряда к величине потенциала покоя. Помимо калиевых каналов утечки здесь подключаются потенциал-зависимые калиевые каналы (активируются от деполяризации). В это время калий выходит из клетки, возвращаясь к своему равновесному потенциалу.
- Гиперполяризация (не всегда) – возникает в случаях, если равновесный потенциал по калию превышает по модулю ПП. Возвращение к ПП происходит после возвращения к равновесному потенциалу по К+.
Во время ПД происходит изменение полярности заряда мембраны. Фаза ПД, при которой заряд мембраны положителен, называется овершутом (рис. 2).
Для генерации ПД оказывается очень важной система активации и инактивации потенциал-управляемых натриевых каналов (рис. 3). Эти каналы имеют две створки: активационную (М-ворота) и инактивационную (Н-ворота). В состоянии покоя М-ворота открыты, а Н-ворота закрыты. Во время деполяризации мембраны М-ворота быстро открываются, а Н-ворота начинают закрываться. Ток натрия в клетку возможен пока М-ворота уже открыты, а Н-ворота еще не закрылись. Вход натрия приводит к дальнейшей деполяризации клетки, приводя к открытию большего количества каналов и запуская цепочку положительной обратной связи. Деполяризация мембраны будет продолжаться до тех пор, пока все потенциал-управляемые натриевые каналы не окажутся инактивированными, что происходит на пике ПД. Минимальная величина стимула, приводящая к возникновению ПД называется пороговой. Таким образом, возникший ПД будет подчиняться закону «все или ничего» и его величина не будет зависеть от величины стимула, вызвавшего ПД.
Благодаря Н-воротам инактивация канала происходит раньше, чем потенциал на мембране достигнет равновесной величины по натрию. После прекращения поступления натрия в клетку, происходит реполяризация за счет выходящих из клетки ионов калия. При этом к каналам утечки в этом случае подключаются еще и потениал-активируемые калиевые каналы. Во время реполяризации, в быстром натриевом канале быстро закрываются М-ворота. Н-ворота открываются гораздо медленнее и остаются закрытыми еще некоторое время после возвращения заряда к потенциалу покоя. Этот период принято называть периодом рефрактерности.
Рис. 3. Работа потенциал-управляемого натриевого канала.
Концентрации ионов внутри клетки восстанавливает натрий-калиевая АТФаза, которая с затратой энергии в виде АТФ откачивает из клетки 3 иона натрия и закачивает 2 иона калия.
По немиелинизированному волокну или по мембране мышцы потенциал действия распространяется непрерывно. Возникший потенциал действия за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до порогового значения, в результате чего на соседнем участке возникает деполяризация. Главную роль в возникновении потенциала на новом участке мембраны предыдущий участок. При этом на каждом участки сразу после ПД наступает период рефрактерности, за счет которое ПД распространяется однонаправленно. При прочих равных условиях распространение потенциала действия по немиелинизированному аксону происходит тем быстрее, чем больше диаметр волокна. У млекопитающих скорость составляет 1-4 м/с. Поскольку у беспозвоночных животных отсутствует миелин, в гигантских аксонах кальмара скорость ПД может достигать 100 м/c.
По миелинизированному волокну потенциал действия распространяется скачкообразно (сальтаторное проведение). Для миелинизированных волокон характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в областях перехватов Ранвье; здесь их плотность в 100 раз больше, чем в мембранах немиелинизированных волокон. В области миелиновых муфт потенциалзависимых каналов почти нет. Потенциал действия, возникший в одном перехвате Ранвье, за счет электрического поля деполяризует мембрану соседних перехватов до порогового значения, что приводит к возникновению в них новых потенциалов действия, то есть возбуждение переходит скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения одного перехвата Ранвье потенциал действия возбуждает 2-й, 3-й, 4-й и даже 5-й, поскольку электроизоляция, создаваемая миелиновыми муфтами, уменьшает рассеивание электрического поля. Сальтаторное проведение увеличивает скорость проведения ПД 15-20 раз до 120 м/с.
Работа нейронов
Нервная система состоит из нейронов и глиальных клеток. Однако, главную роль в проведении и передаче нервных импульсов играют нейроны. Они получают информацию от множества клеток по дендритам, анализируют ее и передают или не передают на следующий нейрон.
Передача нервного импульса с одной клетки на другую осуществляется с помощью синапсов. Различают два основных типа синапсов: электрические и химические (рис. 4). Задача любого синапса – передать информацию с пресинаптической мембраны (мембрана аксона) на постсинаптическую (мембрана дендрита, другого аксона, мышцы или другого органа-мишени). Большинство синапсов нервной системы образуется между окончанием аксонов и дендритами, которые в области синапса образуют дендритные шипики.
Преимущество электрического синапса состоит в том, что сигнал с одной клетки на другую переходит без задержки. Кроме того, такие синапсы не утомляются. Для этого пре- и постсинаптические мембраны соединены поперечными мостиками, через которые ионы из одной клетки могут перемещаться в другую. Однако, существенным минусом такой системы является отсутствие однонаправленной передачи ПД. То есть, он может передаваться как с пресинаптической мембраны на постсинаптическую, так и наоборот. Поэтому, такая конструкция встречается достаточно редко и в основном – в нервной системе беспозвоночных.
Рис. 4. Схема строения химического и электрического синапсов.
Химический синапс весьма распространен в природе. О устроен сложнее, так как необходима система преобразования электрического импульса в химический сигнал, затем, вновь в электрический импульс. Все это приводит к возникновению синаптической задержки, которая может составить 0,2-0,4 мс. Кроме того, может произойти истощение запасов химического вещества, что приведет к утомлению синапса. Однако, такой синапс обеспечивает однонаправленность передачи ПД, что является его главным преимуществом.
Рис. 5. Схема работы (а) и электронная микрофотография (б) химического синапса.
В состоянии покоя окончание аксона, или пресинаптическое окончание, содержит мембранные пузырьки (везикулы) с нейромедиатором. Поверхность везикул заряжена отрицательно, чтобы предотвратить связывание с мембраной, и покрыта специальными белками, и принимающими участие в высвобождении везикул. В каждом пузырьке находится одинаковое количество химического вещества, которое называется квантом нейромедиатора. Нейромедиаторы весьма разнообразны по химическому строению, однако, большинство из них производятся прямо в окончании. Поэтому, в нем могут находиться системы, для синтеза химического посредника, а также аппарат Гольджи и митохондрии.
Постсинаптическая мембрана содержит рецепторы к нейромедиатору. Рецепторы могут быть в виде как ионных каналов, открывающихся при контакте со своим лигандом (ионотропные), так и мембранными белками, запускающими внутриклеточный каскад реакций (метаботропные). Один нейромедиатор может иметь несколько как ионотропных, так и метаботропных рецепторов. При этом, часть из них может быть возбуждающими, а часть – тормозными. Таким образом, реакцию клетки на нейромедиатор будет определять тип рецептора на ее мембране, и разные клетки могут совершенно по-разному реагировать на одно и то же химическое вещество.
Между пре- и постсинаптической мембраной располагается синаптическая щель, шириной 10-15 нм.
При приходе ПД на пресинаптическое окончание, на нем открываются потенциал-активируемые кальциевые каналы и ионы кальция входят в клетку. Кальций связывается с белками на поверхности везикул, что приводит к их транспортировке к пресинаптической мембране с последующим слиянием мембран. После такого взаимодействия нейромедиатор оказывается в синаптической щели (рис. 5) и может связаться со своим рецептором.
Ионотропные рецепторы – это лиганд-активируемые ионные каналы. Это значит, что канал открывается только в присутствии определенного химического вещества. Для разных нейромедиаторов это могут быть натриевые, кальциевые или хлорные каналы. Ток натрия и кальция вызывает деполяризацию мембраны, поэтому такие рецепторы называют возбуждающими. Хлорный ток приводит к гиперполяризации, что затрудняет генерацию ПД. Следовательно, такие рецепторы называют тормозными.
Метаботропные рецепторы к нейромедиаторам относят к классу рецепторов, ассоцированных с G-белками (GPCR). Эти белки запускают разнообразные внутриклеточные каскады реакций, приводящих в конечном итоге либо к дальнейшей передачи возбуждения, либо к торможению.
После передачи сигнала необходимо быстро удалить нейромедиатор из синаптической щели. Для этого в щели присутствуют либо ферменты расщепляющие, нейромедиатор, либо на пресинаптическом окончании или соседних глиальных клетках могут располагаться транспортеры, закачивающие медиатор в клетки. В последнем случае он может использоваться повторно.
Каждый нейрон получает импульсы от 100 до 100 000 синапсов. Одиночная деполяризация на одном дендрите не приведет к дальнейшей передаче сигнала. На нейрон могут приходит одновременно множество как возбуждающих, так и тормозных стимулов. Все они суммируются на соме нейрона. Такая суммация называется пространственной. Далее, может возникнуть или не возникнуть (в зависимости от пришедших сигналов) ПД в области аксонного холмика. Аксонный холмик – это область аксона, примыкающая к соме и обладающая минимальным порогом ПД. Далее импульс распространяется по аксону, конец которого может сильно ветвиться и образовывать синапсы со множеством клеток. Помимо пространственной, существует временная суммация. Она происходит в случае, поступления часто повторяющихся импульсов от одного дендрита.
Помимо классических синапсов между аксонами и дендритами или их шипиками, существуют также синапсы, модулирующие передачу в других синапсах (рис. 6). К ним относят аксо-аксональные синапсы. Такие синапсы способны усиливать или тормозить синаптическую передачу. То есть, если на окончание аксона, образующего аксо-шипиковый синапс, пришел ПД, а в это время по аксо-аксональному синапсу на него пришел тормозный сигнал, высвобождения нейромедиатора в аксо-шипиковом синапсе не произойдет. Аксо-дендритные синапсы могут изменять проведение мембраной ПД на пути от шипика к соме клетки. Также существуют аксо-соматические синапсы, которые могут влиять на суммацию сигнала в области сомы нейрона.
Таким образом, существует огромное многообразие различных синапсов, отличающихся по составу нейромедиаторов, рецепторов и их местоположению. Все это обеспечивает разнообразие реакций и пластичность нервной системы.
Рис. 6. Разнообразие синапсов в нервной системе.
1.
Физиология ЦНС.
Курс лекций для студентов
дневного отделения
психологического ф-та МГУ
Лектор: проф. Дубынин В.А.
Лекция 3. Потенциал действия нервных клеток, его фазы и
порог запуска. Свойства электрочувствительных Na+- и К+каналов. Проведение ПД, роль глиальных клеток. Пейсмекеры. Местные анестетики. Электрические синапсы.
2.
мВ
ПД – универсальный
ответ нервной клетки
на стимуляцию
+30 и более мВ
(вершина, овершут: область
положительных значений)
0
измерение
и стимуляция
-50
Подаем
через микроэлектрод
короткие
электрич.
импульсы
нарастающей
амплитуды
порог запуска ПД
1-2 мс
-70
время, мс
10
мВ
15
мВ
20
мВ
20 мВ:
пороговый
стимул при
ПП= -70 мВ
2
3.
мВ
30 мВ
При ПП=-80 мВ, пороговый стимул= …?
10 мВ
При ПП=-60 мВ, пороговый стимул= …?
+30 и более мВ
(вершина, овершут: область
положительных значений)
Чем ближе ПП к -90 мВ (чем < у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
0
> порог. стимул, т.е. ниже возбудимость.
Чем ближе ПП к -50 мВ (чем > у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
< порог. стимул, т.е. выше возбудимость.
-50
порог запуска ПД
1-2 мс
-70
У некоторых клеток
так много постоянно
открытых Na+-каналов), что их «ПП»
стремится оказаться
выше -50 мВ…
(см. стр. 19)
время, мс
10
мВ
15
мВ
20
мВ
20 мВ:
пороговый
стимул при
ПП= -70 мВ
3
4.
Рассмотрим ПД подробнее.
Длительность ПД на схеме
составляет 1 мс. По ходу ПД
можно выделить восходящую
и нисходящую фазы (примерно по 0.5 мс каждая).
Восходящая фаза
(деполяризация):
вход в клетку
«порции» Na+.
Нисходящая фаза
(реполяризация):
выход из клетки
примерно такой
же «порции» К+.
вход Na+
выход К+
ПП
4
5.
В основе этих процессов – открывание
и закрывание электрочувствительных
Na+- и К+-каналов.
Эти каналы имеют створки, реагирующие на изменение заряда внутри
нейрона и открывающиеся, если этот
заряд становится выше -50 мВ.
Восходящая фаза
(деполяризация):
вход в клетку
«порции» Na+.
Нисходящая фаза
(реполяризация):
выход из клетки
примерно такой
же «порции» К+.
Если заряд внутри нейрона вновь ниже
-50 мВ – створка закрывается, т.к. повход Na+
выход К+
ложительные
заряды, расположенные
на ней, притягиваются к отрицательно
заряженным ионам цитоплазмы.
Положительные заряды створки –
это заряды аминокислот, входящих
в состав
ПП соответствующей
молекулярной петли белка-канала.
5
6.
Открытие электрочувствительного Na+-канала «разрешает»
+ в клетку.
В вход
основе
процессов
– открывание
Naэтих
Открытие
электрочувствительного
и закрывание
электрочувствительных
К+-канала «разрешает»
выход К+ из клетки.
Na+- +и К+-каналов.
Na -каналы открываются очень быстро после стимула и
самопроизвольно
закрываются
примерно через 0.5 мс.
Эти
каналы имеют створки,
реагирующие
на изменение
заряда медленно
внутри
К+-каналы
открываются
– в течение примерно
нейрона
и открывающиеся,
если этот они в большинстве
0.5 мс после
стимула; закрываются
заряд
становится
-50 мВ.
своем
к моментувыше
снижения
заряда нейрона до уровня ПП.
Восходящая
фаза: вход в
Для
закрытия Na+-канаклетку
лов
на пике Na
ПД+.служит
«порции»
дополнительная
Нисходящая
(внутриклеточная,
фаза: выход из И-)
инактивационная,
клетки –пристворка
h-ворота.
мерностворка
такой же
Вторая
«порции» К+. А-) –
(активационная,
m-ворота.
Именно разная скорость открытия
Если+ заряд внутри+ нейрона вновь ниже
Na -каналов и К -каналов позволяет
-50 мВ – створка закрывается, т.к. повозникнуть сначала восходящей, а
ложительные заряды, расположенные
затем – нисходящей фазе ПД.
на ней, притягиваются к отрицательно
(сначала ионы
Na+цитоплазмы.
вносят в нейрон
заряженным
ионам
положительный заряд, а затем
ионы К+ выносят
его, возвращая
Положительные
заряды
створки –
клетку
в исходное
состояние).
это
заряды
аминокислот,
входящих
в состав соответствующей
молекулярной петли белка-канала.
6
7.
3
2
1
3
4
5
2
1 = 5 = ПП (большая
h-створка
открыта,
маДля
закрытия
Na+-каналаяна
m-створка
лов
пике ПД закрыта);
служит
2 = малая m-створка
дополнительная
открылась, входит Na+;
(внутриклеточная,
3 = большая h-створка
инактивационная,
И-)
закрыла–канал;
створка
h-ворота
4 = малая
m-створка
Вторая
створка
вернулась на место;
(активационная,
А-) –
5 = канал вернулся в
m-ворота.
исходное положение.
Именно разная скорость открытия
Na+-каналов и К+-каналов позволяет
возникнуть сначала восходящей, а
-50 мВ
затем – нисходящей фазе ПД.
(сначала ионы Na+ вносят 4в нейрон
положительный заряд, а затем
ионы
К+ выносят его, возвращая
ПП
клетку в исходное состояние).
5
1
7
8.
К+-каналы:
вход Na+
3
1 = 2 = 5 = канал закрыт
3 = 4 = канал открыт
2
выход К+
Na+-каналы:
1 = 5 = ПП (большая
h-створка открыта, малая m-створка закрыта);
2 = малая m-створка
открылась, входит Na+;
3 = большая h-створка
закрыла канал;
4 = малая m-створка
вернулась на место;
5 = канал вернулся в
исходное положение.
Именно разная скорость открытия
Na+-каналов и К+-каналов позволяет
возникнуть сначала +восходящей, а
-50 мВ
К фазе
-ток ПД.
затем – нисходящей
+-ток
Na
(сначала ионы Na+ вносят 4в нейрон
положительный заряд, а затем ионы ПП
К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние.
5
1
8
9.
потенциал
относительная
действия рефрактерность
мВ
деполяризация
реполяризация
Реполяризация =
абсолютная рефрактерность (полная
нечувствительность
к стимуляции из-за
закрытой h-створки)
порог запуска ПД
потенциал покоя
потенциал покоя
Гиперполяризация
= относительная
рефрактерность
(пороговый стимул
>, чем обычно)
гиперполяризация
мс
Поскольку К+-каналы начинают закрываться довольно поздно (вслед за
проходом уровня -50 мВ), заряд нейрона после ПД нередко опускается
ниже ПП (следовая гиперполяризация, относит. рефрактерность).
Вершина ПД – момент равенства токов натрия и калия; она не м.б. выше
равновесного потенциала для натрия, который составляет 61.5 мВ при
соотношении Na+out : Na+in = 10 : 1 (см. уравнение Нернста). 9
10.
Мы познакомились с общими принципами генерации ПД.
Следующие три вопроса:
[1]. Что будет, если заблокировать электрочувствительные
(«потенциал-зависимые») Na+-каналы?
[2]. Что будет, если заблокировать электрочувствительные
(«потенциал-зависимые») К+-каналы?
[3]. Если при каждом ПД в клетку входит Na+ и выходит К+,
то не произойдет ли через некоторое время
«разрядка батарейки», т.е. потеря ПП?
10
11.
В результате действия токсина прекращается генерация и проведение ПД:
сначала – по периферическим нервам
(«иллюзии» кожной чувствительности,
параличи, нарушения зрения и слуха),
позже – потеря сознания; смерть от
остановки дыхания (сэр Джеймс Кук).
электрочувствительный
Na+-канал
тетродотоксин –
яд рыбы фугу
(аминогруппа
работает как «пробка»
для Na+-канала)
11
12.
ТЭА
ТЭА – тетраэтиламмоний:
работает как «пробка» по
отношению к К+-каналу.
В результате восходящая
фаза ПД изменяется мало,
нисходящая – затягивается до 50 и > мс (реполяризация происходит за
счет постоянно открытых
К+-каналов, которых примерно в 100 раз <, чем
электрочувствительных);
ТЭА вызывает глубокую
потерю сознания.
«затянутый» ПД на
фоне ТЭА: 50 мс
ПД в норме: 1 мс
12
13.
Этот рисунок – из предыдущей лекции. Он иллюстрирует не только
вклад Na+-K+-АТФазы в поддержание ПП, но и позволяет показать
ее важнейшую роль в «ликвидации последствий» ПД.
— электрочувствит.
Na+-каналы
— электрочувствит.
К+-каналы
Na+-K+-АТФаза постоянно
откачивает из клетки
избыток Na+ и
возвращает назад K+. Без
этого нейрон потерял бы
ПП уже через несколько
сотен ПД. Важно также,
что чем > проникло в
клетку Na+, тем активнее
работает насос.
внутриклеточная
13 13
среда
14.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ
ПД.
Если ПД возник хотя бы в
одной точке мембраны нейрона – он распространяется
по всей мембране.
Причина: деполяризация в точке появления ПД играет
роль запускающего
(надпорогового,
около 100 мВ) стимула по отношению
к соседним точкам.
Это сходно с «кругами на воде», а
точнее – с горением
бенгальского огня.
стимул
14
15.
Скорость такого распространения низка и не преРАСПРОСТРАНЕНИЕ
вышает у человека 1-2 м/с (диаметр аксона 1-2 мкм).
Но чем толще проводник-аксон, тем < его электриЕсли ПД возник хотя
бысопротивление
в
ческое
и легче идет запуск ПД.
одной точке мембраны
ней- увеличивать скорость за счет
Это позволяет
рона – он распространяется
наращивания диаметра аксона. Рекорд – гигантский
ПД.
по всей мембране.аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).
Причина: деполяриПД от исходной
зация в точке появточки распростления ПД играет
раняется во все
роль запускающего
(надпорогового, стороны и, убегая по аксону,
около 100 мВ) стизапускает вымула по отношению
брос медиатора
к соседним точкам.
Это сходно с «кругами на воде», а
точнее – с горением
бенгальского огня.
выброс
медиатора
стимул
«Радикальный»
рост скорости
проведения – за счет миелинизации аксонов, которая на
периферии обеспечивается
одним из типов глиальных
клеток – шванновскими кл.
15
16.
Скорость
такого
распространения
и не мембпреМиелиновая
оболочка
(нескольконизка
десятков
ранныхуслоев)
– хороший
В связи
этим
вышает
человека
1-2 м/с изолятор.
(диаметр аксона
1-2 смкм).
ПД электрические
токи
могут
течь
Но связанные
чем толще спроводник-аксон,
тем
< его
электритолько
через перехваты
Ранвье;
электрочувствическое
сопротивление
и легче
идет
запуск ПД.
каналы
также расположены
только на
Этотельные
позволяет
увеличивать
скорость за счет
перехватах. В
результате
по миелинизированному
наращивания
диаметра
аксона.
Рекорд – гигантский
аксону ПД передается скачками («сальтаторно») с
аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).
перехвата на перехват.
Каждая шванновская клетка,
наматываясь на
аксон, закрывает
область около 1
мм. Между клетками – «голые»
участки (перехваты Ранвье).
«Радикальный» рост скорости
проведения – за счет миелинизации аксонов, которая на
периферии обеспечивается
одним из типов глиальных
клеток – шванновскими кл.
перехват
Ранвье
Креветка – 200 м/с.
Протяженность
перехватов Ранвье
= 1% от общей
длины аксона. В
итоге это приводит к
росту скорости
проведения ПД до
100-120 м/с.
16
17.
миелинизироМиелиновая
оболочка
(нескольконизка
десятков
Скорость
такого
распространения
и не мембпрерованный
ранныхуслоев)
– аксон
хороший
В связи
этим
вышает
человека
1-2 м/с изолятор.
(диаметр аксона
1-2 смкм).
ПД электрическиетем
токи
Но:связанные
чем толщес проводник-аксон,
< могут
его течь
только через
перехваты
Ранвье;
электрочувствиолигодендроэлектрич.
сопротивление
и
легче
происходит
запуск
цит
тельные каналы
также расположены только на
ПД.
Это позволяет
увеливать
скорость
за счет
перехватах.
В результате
по
миелинизированному
миелиновая
Диаметр
миелининаращивания
диаметра
аксона.
Рекорд
гигантский
оболочка
аксону ПД передается скачкамизированных
(«сальтаторно»)
с
аксонов
аксон кальмара (d=1
мм,
V=10
м/с).
перехвата на перехват.
достигает 20 мкм;
аксон
приблизительную
скорость проведения можно рассчикапилляр
тать, используя
Немного
о
глиальных
клетках
астроцит
коэффициент 6 (4
мкм 24 м/с; 10
мкм 60 м/с и т.д.)
Каждая ШванПротяженность
новская клетка,
перехватов Ранвье
наматываясь на
= 1% от общей
аксон, закрывает
длины аксона. В
область около 1
итоге это приводит к
мм. Между клетросту скорости
ками – голые
проведения ПД до
100-120 м/с.
участки (пере17
перехват Ранвье
мембрана
хваты Ранвье).
миелиновая оболочка
аксона
18.
миелинизиророванный
аксон
олигодендроцит
миелиновая
оболочка
аксон
капилляр
астроцит
Немного о глиальных клетках
А) олигодендроциты (в т.ч. шванновские клетки):
электроизоляции нейронов; в ЦНС один олигодендроцит
образует миелиновые оболочки на нескольких аксонах; миелин – липиднобелковый комплекс, придающий белый цвет скоплениям аксонов («белое вво»); рассеянный склероз: на белки миелина развивается аутоиммунная реакция.
Б) астроциты: механическая защита и слежение за
составом межклеточной среды; образуют гематоэнцефалический барьер (ГЭБ), задерживающий
проникновение в мозг «посторонних» химических
веществ (учитывается при разработке лекарств).
В) микроглия:
фагоциты
(макрофаги)
нервной ткани
18
19.
Что будет дальше?:
*
*
*
*
*
*
*
нейроны-пейсмекеры
электрические синапсы
ПД мышечных клеток
местные анестетики
батрахотоксин
электрические рыбы
гигантский аксон кальмара
19
20.
деполяризация
за счет постоянного входа Na+
чем сильнее «ток
утечки», тем чаще ритм
«минимум»
В ЦНС человека такими
свойствами обладают
нейроны дыхательного
центра. Пейсмекерами
являются и клетки – водители сердечного ритма.
Клетка-пейсмекер:
запись ПД при расположении электрода в межклеточной среде
Нейроны-пейсмекеры (водители ритма): у некоторых клеток
так много постоянно открытых Na+-каналов, что заряд цитоплазмы не
способен удерживаться на стабильном уровне и медленно смещается
вверх (деполяризация).
При достижении порога запуска ПД происходит генерация импульса,
после чего заряд нейрона отбрасывается к «минимуму» (около -60 мВ и
даже ниже). Затем вновь начинается деполяризация, запуск ПД и т.д.
Чем больше постоянно открытых Na+-каналов, тем чаще следуют ПД.
Регуляция частоты разрядов идет также за счет открывания особых
типов К+-каналов, реагирующих на гормоны, медиаторы и др.
20
Чем > таких каналов открыто, ниже «минимум» и реже частота ПД.
21.
Электрическ. синапсы
редки в нервной системе позвоночных и обычны для беспозвоночных
(«сверхбыстрые» рефлекторные дуги, но при
этом – нет возможности
учесть дополнительные
факторы).
хими-
Электрический синапс: прямая передача электрического возбуждения.
идет за
Следует особо
отметить,
счет
вычто мышечные клетки
деления
всех типов обладают ПП
и генерируютмедиаПД, кототора
рые необходимы
для
Основная область электрического синапса –
«щелевой контакт», в котором мембраны
клеток находятся на расстоянии 2 нм (химический синапс – 20-30 нм).
В мембраны друг напротив друга встроены
каналы-коннексоны (каждый состоит из
6 белков-коннексинов).
Через коннексоны легко движутся любые
ионы, что позволяет ПД напрямую переходить с клетки на клетку.
21
ческий
Наиболее яркий
пример
синапс:в
работы коннексонов
передача
нашем организме
– серсигнала
дечная мышца.
запуска сокращения
(взаимное скольжение
белковых нитей актина
и миозина с затратой
энергии АТФ).
22.
Электрическ. синапсы
редки в нервной системе позвоночных и обычны для беспозвоночных
(«сверхбыстрые» рефлекторные дуги, но при
этом – нет возможности
учесть дополнительные
факторы).
200-400 мс
Поперечнополосатые
мыш. кл.
Гладкие
мышечные
клетки
Мышечные
клетки
сердца
Наиболее яркий пример
работы коннексонов в
ПД поперечно-полосатой мышечной клетки
нашем
организме
– серПД
мышечной
клетки
(скелетные мышцы) близок к ПД нейрона: от
дечнаяимышца.
сердца
его стадии:
ПП=-80 мВ вверх до +40 мВ; длительность 1-2
Следует
особо
отметить,
0 – деполяризация
мс; сначала вход Na+, затем выход К+.
мышечные клетки
1что
– быстрая
всех типов обладают ПП
ПД сердечного волокна: от ПП=-90 мВ вверх
реполяризация
и генерируют ПД, котодо +20 мВ; гораздо более длительный: 2002рые
– плато
необходимы для
+, затем – плато, и
400
мс;
сначала
вход
Na
3запуска
– окончательная
сокращения
+) –
лишь
затем
(из-за
нарастающего
выхода
К
реполяризация
(взаимное скольжение
нитей актина ПП возврат к ПП.
4белковых
– ПП, восстановление
и миозина с затратой
Причина
энергии
АТФ). плато – входящий ток ионов Са2+,
22
+
который на время уравновешивает выход К .
23.
Электрическ. синапсы
Сa2+ быстро выводится из цитоплазмы
редки в нервной систе- во внешнюю среду белками-насосами
ме позвоночных и обычвход Na+ через эл/чув. каналы
ны для беспозвоночных
(«сверхбыстрые» рефвыход К+ через эл/чув. каналы
лекторные дуги, но при
2+ через эл/чув. каналы
вход
Сa
этом – нет возможности
выход К+ через Са2+-зависимые
учесть дополнительные
каналы (открываются под влияфакторы).
2+
200-400 мс
нием вошедшего в клетку Са и
обуславливают переход к фазе 3)
Наиболее яркий пример
работы коннексонов в
нашем
организме
– серПД
мышечной
клетки
Ионов Са2+ в сотни и тысячи раз больше в
дечнаяимышца.
сердца
его стадии:
межклеточной среде (по сравнению с
несколько
замечаний:цитоплазмой); на многих клетках (сердце,
0Следует
–Еще
деполяризация
особо отметить,
1что
–ПД
быстрая
гладкие
мышцы,
нейроны)
имеются
мышечные
клетки
с плато регистрируется
у «рабочих»
клеток
сердца;
назначение
2+
электрочувствительные
Са -каналы.
всех
типов
обладают
реполяризация
плато
– дать
войти ПП
в цитоплазму
порции Са2+, который
запустит
ПД,
кото- скольжение нитей актина и миозина);
сокращение
(взаимное
2и–генерируют
плато
При их открывании начинается вход Са2+ (в
необходимы для
3рые
–уокончательная
вносится
заряд плюс
пейсмекеров
сердца нет клетку
фазы плато,
ПД положительный
гораздо более короткий;
запуска
сокращения
2+ на активность многих белков);
реполяризация
влияние
Са
суммарный
ПД
всех
клеток
сердца
–
электрокардиограмма
(ЭКГ);
(взаимное
скольжение
4 –распространение
ПП, восстановление
ППсердцу
закрывание
каналов
– при возврате
к ПП.
ПД по
– за счет
электрических
синапсов;
белковых нитей актина
и миозина
с затратой
Причина
плато
– входящий
ток ионов
Са2+параметрами
,
параметры
ПД
клеток
гладких мышц
– между
ПД клеток
23
2+
+
энергии
АТФ).
сердца
и скелетных
вход Са наблюдается,
который
на времямышц;
уравновешивает
выход К . но слабее.
24.
Основное скопление
клеток-пейсмекеров
сердца – в верхней
части правого предсердия («водитель
сердечного ритма»).
Отсюда ПД распространяется сначала по
предсердиям, потом
по желудочкам.
Пейсмекеры сердца –
видоизмененные
мышечные клетки.
Еще несколько замечаний:
ПД с плато регистрируется у «рабочих» клеток сердца; назначение
плато – дать войти в цитоплазму порции Са2+, который запустит
сокращение (взаимное скольжение нитей актина и миозина);
у пейсмекеров сердца нет фазы плато, ПД гораздо более короткий;
суммарный ПД всех клеток сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);
распространение ПД по сердцу – за счет электрических синапсов;
параметры ПД клеток гладких мышц – между параметрами ПД клеток
24
2+
сердца и скелетных мышц; вход Са наблюдается, но слабее.
25.
Важно:
1) для описания электрических процессов в нервных клетках
часто используется понятие «проводимость» того или иного
иона (g); оно означает, по сути, количество (иногда – долю)
открытых каналов, пропускающих данный ион;
для сдвига равновесия процессов на мембране достаточно изменить g
одного из ионов (например, увеличение g для К+ приведет к гиперполяризации, а для Na+ и Са2+ – к деполяризации);
2) лекция началась с описания процедуры запуска ПД с помощью электрической стимуляции нейрона; в реальном мозге такой стимуляции, конечно, нет; вместо нее – пейсмекеры,
действие сенсорных стимулов на клеткирецепторы в орагнах чувств и (в подавляющем
большинстве случаев) выделение возбуждающих
медиаторов в синапсах.
25
26.
Местные анестетики: проникают внутрь нервной клетки
(ее отростка) и связываются с h-створками в тот момент, когда
они закрыты. В результате электрочувствительные Na+-каналы
(и проведение ПД в целом) блокируются.
Местные анестетики наносят на слизистую;
их можно вводить в кожу или глубокие ткани,
а также по ходу нерва. При этом выключается
проведение по всем волокнам (сенсорным,
двигательным, вегетативным); возможно
развитие угнетающего действия на ЦНС
(вплоть до остановки дыхания).
НОВОКАИН – гидрохлорид
диэтиламиноэтилового эфира
аминобензойной кислоты.
зона новокаиновой
блокады
распространение ПД 26
27.
Батрахотоксин: токсин кожи некоторых
лягушек-листолазов; модифицированный
стероидный гормон насекомых (?).
Токсин проникает внутрь клетки и связывается с h-створками
в тот момент, когда они открыты. В результате электрочувствительные Na+-каналы не закрываются. Начинается тотальный вход Na+, проводящий к быстрой потере нейроном как
ПП, так и способности проводить ПД (одна лягушка –
от 10 до 100 смертельных доз).
27
28.
У электрических рыб
(например, электрического
угря) имеются особые
видоизмененные
мышечные клетки –
электроциты.
Они собраны в «батарею»,
способную генерировать
разряд в сотни Вольт.
Этот разряд – суммарный
ПД электроцитов.
28
29.
Гигантский
аксон
кальмара
(d=0.5-1 мм) –
классический
объект для
изучения
ПД
Замена
аксоплазмы
на раствор,
содержащий
то же количество К+.
При этом
форма ПД
практически
не менятся.
29
30.
ВОПРОСЫ к лекции 3: «Потенциал действия нервных клеток, порог запуска и фазы. Свойства электрочувствительных Na+ и К+-каналов.
Проведение ПД, роль глиальных клеток. Пейсмекеры; местные анестетики; электрические синапсы».
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
Дайте определение потенциалу действия (ПД). Какова его функция в нервных и мышечных клетках?
Что такое порог запуска ПД и пороговый стимул? Как пороговый стимул зависит от ПП нейрона?
Что такое овершут ПД и от чего зависит его максимально возможное значение?
С движением каких ионов и в каком направлении связаны фазы деполяризации и реполяризации ПД нейрона?
Сравните строение электрочувствительных Na+ и К+-каналов нейрона. В чем состоит потенциал-зависимый принцип работы их створок?
Опишите движение m-створки Na+-канала на разных этапах ПД.
Опишите движение h-створки Na+-канала на разных этапах ПД.
Опишите движение створки К+-канала на разных этапах ПД.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов на уровне ПП.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов в середине восходящей и середине нисходящей фаз ПД.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов на нисходящей фазе ПД сразу после опускания ниже уровня -50 мВ.
Что собой представляет возникающая после ПД следовая гиперполяризация? Чем она вызвана?
Что такое абсолютная рефрактерность и относительная рефрактерность? Как они проявляются и с какими механизмами связаны?
Что такое тетродотоксин? Каков механизм его действия на генерацию ПД?
Каковы симптомы отравления тетродотоксином?
Каков механизм влияния тетраэтиламмония (ТЭА) на работу нервных клеток?
Как изменяются параметры ПД после введения ТЭА? После введения тетродотоксина?
Поясните фразу: «Na+-К+-АТФаза играет важнейшую роль в ликвидации последствий ПД».
Опишите механизм распространения ПД по мембране нейрона. Чему равна примерная скорость такого распространения?
Опишите механизм распространения ПД по миелинизированному аксону. Как зависит скорость этого процесса от диаметра волокна?
Какова функция олигодендроцитов. Как формируются миелиновые оболочки?
Какая связь между миелином и рассеянным склерозом?
Опишите функции астроцитов и микроглии.
Что Вы знаете о гигантском аксоне кальмара?
Охарактеризуйте принцип функционирования нейронов-пейсмекеров.
Какие факторы влияют на частоту разрядов пейсмекеров?
Приведите примеры деятельности клеток-пейсмекеров в организме человека.
Каков механизм действия препаратов – местных анестетиков. Приведите пример такого препарата.
Что Вы знаете о батрахотоксине? Каков механизм его действия на нервные клетки?
Чем различаются принципы функционирования химических и электрических синапсов?
Как устроен электрический синапс? Что такое коннексины, коннексоны и щелевые контакты?
Что вы знаете о ПД поперечно-полосатой и ПД гладкой мышечных клеток?
Перечислите стадии ПД сердечной мышечной клетки. За счет уравновешивания каких ионных токов возникает плато такого ПД?
С каким током связан переход к фазе окончательной реполяризации ПД сердечной мышечной клетки? От чего зависит появление и
выключение этого тока?
За счет чего в сердечную мышечную клетку проникает Са2+ и как он из нее удаляется?
Где находится главный центр сердечной автоматии? Что за клетки его составляют?
Какие синапсы участвуют в распространении ПД внутри сердца?
Как устроен и работает электрический орган рыб?
Охарактеризуйте понятие «проводимости» мембраны нервных клеток. Поясните, почему рост проводимости для Na+ и Ca2+ ведет к
деполяризации, а K+ – к гиперполяризации нейрона?
Как можно запустить ПД в эксперименте на одиночной нервной клетке или на аксоне кальмара? Какие факторы запускают
30
ПД в реальной нервной системе?
Трансмиссия
потенциала действия.
Момент
времени 1: Электрический ток, возникший в результате открытия
потенциал-зависимых натриевых каналов на участке 1, возбуждает соседние участки
мембраны.
Момент
времени 2: В результате этого возбуждения на участке 2 открываются
потенциал-зависимые натриевые каналы и возникает потенциал действия, который, в
свою очередь, возбуждает соседние участки мембраны. На участке 1 открылись
потенциал-зависимые калиевые каналы, восстанавливающие мембранный потенциал
после прохождения потенциала действия.
Момент
времени 3: Электрический ток, возникший в результате открытия
потенциал-зависимых натриевых каналов на участке 2, вызвал открытие таких же
каналов на участке 3, и потенциал действия перешел туда. На участке 1
потенциал-зависимые натриевые каналы не смогли открыться, несмотря на
электрическое возбуждение от участка 2, так как они были временно
инактивированы после создания потенциала действия. На участке 2 открылись
потенциал-зависимые калиевые каналы, восстанавливающие мембранный потенциал
покоя после прохождения потенциала действия.
Мы
уже знаем, что отростки нейронов могут быть покрыты обернутыми вокруг них
клетками нейроглии, или миелиновой оболочкой. Именно она делает аксон похожим
на вытянутую цепочку сосисок. Передача потенциала возбуждения по «голым», не
покрытым миелиновыми клетками, нервным волокнам отличается от его прохождения
по миелинизированному аксону. При сравнении заметны существенные преимущества,
предоставляемые обернутыми вокруг аксона клетками нейроглии:
Потенциал действия
в миелиновом волокне.
1.
Экономичность. Мембрана аксона под миелином не имеет каналов для пропускания
ионов, создающих потенциал действия. Каналы существуют только в узких
промежутках между глиальными клетками, которые называют перехваты Ранвье, и
только на этих узких участках аксона возникает потенциал действия. Концентрация
ионных каналов в этих перехватах в 100 раз выше, чем в мембранах безмиелиновых
волокон, тем не менее для того, чтобы обеспечить их работу, требуется
значительно меньше энергии по сравнению с тем, сколько энергии потребовалось бы
для обеспечения ионных каналов, расположенных по всей поверхности «голого»
аксона. Кроме того, такая экономичность позволяет быстрее «перезаряжать» аксон
для проведения следующего потенциала действия, поэтому миелинизированные
волокна способны передавать сигналы более высокой частоты.
2.
Скорость. По «голому» аксону сигнал передается в каждой его точке. Ионные
каналы открываются в каждой точке его поверхности, один за другим, что
напоминает тщательное, скрупулезное вчитывание в текст.
В
миелинезированном аксоне потенциал действия, возникший в одном перехвате
Ранвье, своим электрическим полем дотягивается до соседних перехватов, что
приводит к возникновению в них новых потенциалов действия. То есть возбуждение
переходит скачкообразно, от одного перехвата к другому. В случае повреждения
одного перехвата Ранвье потенциал действия возбуждает следующий после
поврежденного перехват, а в случае необходимости даже третий, четвертый и пятый
по счету. Распространение электрического поля на такую длину возможно из-за
электроизоляции, создаваемой миелиновыми муфтами: она уменьшает рассеивание
электрического поля, которое неизбежно для безмиелиновых волокон.
Таким
образом, скорость распространения потенциала действия по миелинизированным
волокнам намного выше по сравнению с немиелинизированными. Ведь за один и тот
же отрезок времени потенциал действия на «голом» аксоне возбудит лишь
находящийся непосредственно рядом участок, а потенциал действия на
миелинизированном волокне перепрыгнет на расстояние, равное расстоянию между
одним или несколькими перехватами Ранвье:
Диапазон
скоростей передачи потенциала действия в различных миелинизированных волокнах
очень широк: от нескольких метров в секунду до «мирового рекорда»,
установленного аксоном креветки: он проводит возбуждение со скоростью,
превышающей 200 м/с.
Чтобы
представить, насколько эффективно может быть увеличена скорость проведения
потенциала действия за счёт миелиновой оболочки, достаточно сравнить скорость
его распространения по немиелинизированным и миелинизированным волокнам
нейронов человека. Если взять скорость проведения импульса в одинаково тонких
волокнах, то в безмиелиновом волокне она составит примерно 1 м/с, а в
миелинизированном 15—20 м/с. В толстых аксонах человека, покрытых миелиновой
оболочкой, скорость проведения может достигать 120 м/с.