Природа мембранного потенциала покоя
| Вид материала | Документы |
- 2 Современные представления о генерации мембранного потенциала покоя, 153.42kb.
- Міністерство охорони здоров’я України Український центр наукової медичної інформації, 290.67kb.
- Конкурсе методических разработок Тема: «Природа источник познания», 20.22kb.
- Медицинский портал студентам, врачам, медицинские книги, 246.39kb.
- Уроки з курсу “Я І Україна”, 590.67kb.
- М. Ю. Лермонтова Вцелом ряде произведений М. Ю. Лермонтова храм является значимым пространством, 252.48kb.
- 1. Дифференциальный каскад (ДК) на биполярных транзисторах: схема, режим покоя каскада, 54.47kb.
- Розділ 3 Економіка підприємства та організація виробництва, 221.25kb.
- План управления (менеджмент-план) природного парка «зона покоя укок» на 2009-2013, 3525.68kb.
- Задачи: углубить общее представление о строении эукариотической клетки на основе раскрытия, 356.11kb.
- Природа мембранного потенциала покоя.
Потенциал покоя – это разность между электрическими потенциалами внутри и вне клетки в состоянии покоя.
Величина ПП варьируется в пределах 30-90 мВ.
ПП 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.
Главным ионом, обеспечивающим формирование ПП, является ион К+. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К+. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному градиенту К+ стремиться выйти из клетки, а отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К+ становится равным числу входящих ионов К+ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается равновесный калиевый потенциал.
В создании ПП принимают участие и другие ионы: Na+, Cl¯, Ca²+.
Проницаемость клеточной мембраны в покое для Na+ очень низка. Ионы Na+ согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, т.к. на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Na+.
Влияние Cl¯ на величину ПП противоположно влиянию Na+. Cl¯ согласно концентрационному градиенту стремиться и проходит в клетку. Концентрации ионов К+ и Cl¯ близки между собой. Но Cl¯ находится в основном вне клетки, а К+ - внутри клетки. Препятствует входу Cl¯ в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Cl¯. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу Cl¯ в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу Cl¯ в клетку. При поступлении Cl¯ внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: Cl¯ добавляется к крупным анионам белковой природы, находящимся внутри клетки. Таким образом, Cl¯, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП.
Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Ионы Ca²+ взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки, что ведет к увеличению и стабилизации ПП.
В целом ПП – это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но и отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой клеточной мембраны.
Билет 2.
Роль натрий-калиевого канала.
Основное назначение — поддерживать клеточный потенциал и регулировать клеточный объём.
Натрий-калиевый обменный насос
Большинство возбудимых клеток имеют потенциал покоя от —90 до - 60 мВ. Равновесный потенциал для ионов натрия (2JNa) — обычно порядка +50 мВ. Таким образом, существует большой электрохимический потенциал, стремящийся перенести ионы натрия внутрь клетки. Такой перенос осуществляется при помощи многочисленных механизмов. Кроме того, равновесный потенциал для калия более отрицателен, чем потенциал покоя, вследствие чего ионы калия постоянно выводятся из клетки. Для поддержания жизнеспособности клетки необходимо, чтобы ионы натрия непрерывно переносились наружу, а ионы калия внутрь клетки, т. е. против их электрохимических градиентов. Для этой цели в мембране клетки существует натрий-калиевый обменный насос, который при каждом своем цикле переносит три иона натрия наружу и два иона калия внутрь клетки.
Билет 3
Ионная проницаемость мембраны нервного волокна в покое и при возбуждении
Создание ионного баланса, обеспечивающего потенциал клетки (т.е. разница в концентрации ионов внутри клетки и в межклеточном пространстве) осуществляется особыми белками-насосами. Наиболее важной для деятельности нервной системы является натрий-калиевая АТФ-аза, Na+, К+-насос (см. вопрос 3).
Для возникновения потенциала покоя также необходимо существование в мембране нервных клеток открытых ионных каналов, в результате чего мембрана становится проницаемой для определенных ионов, получающих возможность свободно перемещаться между цитоплазмой и межклеточной средой. Ключевое значение для появления ПП имеют постоянно открытые (проточные) К+-каналы. Они представляют собой белковые молекулы, проход внутри которых специфически настроен на пропуск ионов К+.
Исходное состояние нейрона (до развития ПП) — отсутствие внутреннего заряда. Количество положительных и отрицательных ионов в цитоплазме клетки равное
Благодаря наличию в мембране К+-каналов, ионы К+ получают возможность свободно выходить из клетки, где их содержание велико, в межклеточную среду, где их гораздо меньше (вспомним, что разница концентрации Na+ и К+ внутри и снаружи клетки вызвана работой Na+, К+-насоса). Однако такая диффузия не приводит к уравниванию концентрации ионов калия внутри и вне клетки, так как параллельно с выходом К+ из клетки в ней становится все больше оставшихся без своей положительно заряженной пары анионов (отрицательно заряженных ионов); по мере диффузии К+ в цитоплазме нейрона накапливается отрицательный электрический заряд. Притягивая к себе катионы (положительно заряженные ионы), он начинает все больше препятствовать выходу К+ из клетки. В итоге выход К+ продолжается лишь до тех пор, пока сила диффузии (концентрационного давления) и сила электрического поля не станут равны. Точка равновесия и соответствует уровню потенциала покоя.
Ток ионов при достижении ПП не останавливается, так как имеются постоянно открытые каналы и K+ продолжает перемещаться сквозь мембрану, но число ионов, которые вошли в клетку и вышли из нее, теперь оказывается одинаковым. Такое состояние называется динамическим равновесием.
Кроме К+-каналов, в мембране присутствуют аналогичные Na+-каналы, которых существенно меньше, чем калиевых, но входящие в них ионы Na+ вносят в клетку положительный заряд (ток утечки) снижают потенциал покоя по абсолютному значению.
Ток утечки Na+ компенсируется работой Na+, К+-насоса.
Таким образом, конечный уровень потенциала покоя определяется взаимодействием большого числа факторов, основными из которых являются входящий и выходящий токи К+, входящий ток Na+ и деятельность Na+, К+-насоса. Конечная величина ПП является результатом динамического равновесия процессов. Воздействуя на любой из них, можно смещать уровень ПП и соответственно уровень возбудимости нервной клетки
Ионы, участвующие в генерации ПД, те же, что и в случае потенциала покоя — Na+ и К+. При развитии ПД натрий входит в нейрон, а калий выходит. Ионные каналы, через которые они движутся, относятся к отдельному классу — потенциал-зависимым (электрочувствительным) ионным каналам. Транспортные белки этого класса обладают способностью находиться в открытом либо закрытом состоянии в зависимости от разности потенциалов на мембране клетки. Обычно это связано с наличием заряженных фрагментов белковой молекулы — створок.
У Na+-канала не одна, а две створки, в отличие от К+-канала, где створка всего одна.
Деятельность Na+-канала в ходе генерации ПД можно представить следующим образом (рис. 1.). На уровне ПП А-створка закрыта, И-створка открыта (состояние готовности, точка 1). При подаче стимула створки, не удерживаемые более отрицательным внутриклеточным зарядом, приходят в движение. А-створка очень быстро открывает проход внутри канала, и ионы Na+ начинают входить в нейрон; натриевый ток растет (точка 2). Скоро И-створка в своем движении достигает «верхнего положения»; каналы начинают закрываться, натриевый ток ослабевает и прекращается (точка 3). При проходе уровня порога ПД совершают обратное движение створки Na+-каналов. Сначала вновь быстро срабатывает А-створка, закрывая проход канала (рис. 1, точка 4), затем возвращается в исходное положение И-створка (точка 5). В результате предотвращается возможность входа дополнительной порции Na+ при возврате канала в состояние готовности. Пока И-створки Na+-каналов не открылись, генерация новых ПД невозможна. Это состояние называют абсолютной рефрактерностъю.
Рис. 1 Рис. 2
К+-каналы являются потенциал-зависимыми каналами с одной (активирующей) створкой. Относительно медленно открываясь (рис. 2, точки 2—3), они обеспечивают выходящий ток калия и фазу гиперполяризации ПД. Закрытие створки происходит после «прохода» порогового уровня для запуска ПД (точки 4—5). При этом скорость закрытия также невелика. В результате повышенная проницаемость мембраны для ионов К+ сохраняется еще некоторое время.
В настоящее время известен не один, а несколько типов потенциал-зависимых Na+- и К+-каналов. Они различаются порогами срабатывания, а также скоростью открытия и закрытия. Кроме того, в суммарные ионные токи, возникающие при развитии ПД, значительный вклад вносят ионы Ca2+. Существуют специфические потенциал-зависимые каналы, через которые Ca2+ входит в клетку; при этом он выполняет две функции: как положительно заряженный ион деполяризует мембрану и как химический агент влияет на работу других ионных каналов, ферментов, рецепторов.
Важно также то, что всякий ПД уменьшает существующую разность концентраций ионов Na+ и К+ внутри и снаружи клетки. Если заставить нейрон генерировать ПД с максимальной частотой, то уже через несколько тысяч импульсов за счет выхода К+ и входа Na+ общий заряд цитоплазмы существенно приблизится к нулю. В результате И-створки Na+-каналов не смогут открыться в конце нисходящей фазы ПД и потенциалы действия прекратятся. Теперь для восстановления работоспособности необходим отдых, и тогда Na+, К+-насосы вернут разность потенциалов к уровню ПП.
4. Потенциал действия.
ПД – это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространятся без затухания.
ПД обеспечивает передачу сигнала между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения.
Величина ПД колеблется в пределах 80-130 мВ. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силы.
При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым.
Выделяют три фазы ПД:
- деполяризация – исчезновение заряда клетки (уменьшение мембранного потенциала до нуля)
- инверсия – изменение заряда клетки на обратный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя – отрицательно
- реполяризация – восстановление исходного заряда клетки, когда внутри клетки заряд снова становится отрицательным, а снаружи – положительным.
Фаза деполяризации: При действии деполяризующего раздражителя на клетку (например, электрического тока) начальная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% порогового потенциала, возрастает проницаемость мембраны клетки для Na+. Условием, обеспечивающим вход Na+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Na–каналов (расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны). Когда деполяризация клетки достигает критической величины – 50 мВ, проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число Na-каналов и Na+ лавиной устремляется в клетку. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. В итоге ПП (потенциал покоя) исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.
Фаза инверсии: После исчезновения ПП вход Na+ в клетку продолжается, поэтому число положительных ионов в клетке больше числа отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи – отрицательным. Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), Na-проводимость снижается. Тем не менее некоторое время Na+ продолжает входить в клетку, о чем свидетельствует продолжающее нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Na+ в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу Na+ в клетку. Примерно через 0,5-2 мс после начала деполяризации рост ПД прекращается в результате закрытия Na и открытия K-каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для K+ резкого возрастания выхода его из клетки. K+ выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки – до конца фазы инверсии.
Фаза реполяризации связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для K+ все еще высока, K+ продолжает быстро выходить из клетки. Поскольку клетка теперь снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи – положительный, электрический градиент препятствует выходу K+ из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. Часто в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для K+.
Главную роль в возникновении ПД играет Na+, обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД.
Билет 5.
Зависимости ПД от силы, длительности и сокрости нарастания раздражения.
Закон силы."Все или ничего"
Чтобы возникло возбуждение, раздражитель должен быть достаточно сильным - пороговым или выше порогового. Обычно под термином «порог» понимается минимальная сила раздражителя, которая способна вызвать возбуждение. Например, чтобы вызвать возбуждение нейрона при МП = -70 мВ и КУД = -50 мВ, пороговая сила должна быть равной -20 мВ. Этот закон рассматривает также зависимость амплитуды ответа возбудимой ткани от силы раздражителя (раздражитель по силе ниже пороговой величины, равен или выше ее). Для одиночных образований (нейрон, аксон, нервное волокно) эта зависимость носит название правила «все или ничего». Например, регистрируется ответ ткани - потенциал действия аксона. В качестве параметра ответа возьмем его амплитуду. Пусть величина раздражителя составляет -10 мВ, ответ отсутствует (раздражитель является допороговым), далее - раздражитель равен -30 мВ - возникает ответ в виде ПД, его амплитуда равна -130 мВ. Увеличим силу раздражителя (до 50 мВ) - вновь генерируется ответ в виде потенциала действия, его амплитуда равна 130 мВ. Следующий раздражитель по силе -100 мВ, амплитуда ПД -130 мВ. Вот пример правила «все или ничего».
Закон силы–времени. Эффект раздражителя на нервную клетку зависит не только от силы раздражителя, но и от времени, в течение которого он действует; так, чем больше сила тока, тем меньше времени он должен действовать, чтобы возник процесс возбуждения, и наоборот. Соотношение силы и длительности действия раздражителя может быть выражено в виде гиперболической кривой. Усиление раздражителя приводит к уменьшению минимального времени раздражения, но не бесконечно. При очень малых значениях длительности стимула кривая «силы-времени» становится почти параллельной к оси ординат. Точно также невозможно вызвать генерацию ПД длительным, но очень малым по амплитуде раздражающим стимулом.
Закон аккомодации. Раздражающее действие тока зависит не только от амплитуды электрического сигнала, но и от скорости (крутизны) его нарастания во времени: чем быстрее это нарастание, тем сильнее выражено раздражающее действие тока. При действии медленно нарастающей силы раздражителя генерации ПД не происходит, так как возбудимая клетка «приспосабливается» к действию этого раздражителя, что и получило название аккомодации.
Вопрос 6.
Изменения возбудимости нервного волокна при генерации потенциала действия.
(гл.3.10. учебника «Физиология ЦНС» Смирнов, Яковлев)
При генерации ПД возбудимость нервного волокна меняется, причем эти изменения соответствуют определенной фазе ПД.
| № п/п | Фаза изменения возбудимости | Фаза ПД | Механизм изменения возбудимости | Суть и значение |
| 1 | Кратковременное повышение возбудимости | В начале развития ПД, когда после действия раздражителя возникла некоторая деполяризация, но не достигла критического уровня (регистрируется только локальный потенциал) | Возбудимость повышена, потому что произошла частичная деполяризация, открывается часть Na-каналов. В результате мембранный потенциал приблизился к критическому уровню деполяризации. | |
| 2 | Фаза абсолютной рефрактерности | Соответствует пику ПД и продолжается в период реполяризации до достижения критического уровня деполяризации плюс-минус 10 мВ. | В фазу деполяризации и восходящей фазы инверсии невозбудимость объясняется тем, что потенциалзависимые m-ворота Na-каналов уже открыты, остальные открываются под влиянием деполяризации, и Na быстро поступает в клетку. Поэтому дополнительное раздражение не может повлиять на движение Na. В период нисходящей фазы инверсии и реполяризации невозбудимость объясняется тем, что инактивационные h-ворота Na-каналов закрываются, в результате клеточная мембрана непроницаема для Na. В то же время в большом количестве открываются К-каналы, К быстро выходит из клетки. | Полная невозбудимость (возбудимость = 0). Наличие абсолютной рефрактерности не позволяет отдельным ПД накладываться друг на друга и ограничивает максимальную частоту разрядов нервных клеток величиной 500—700 имп/с (реже — до 1000 имп/с: с такой частотой могут возбуждаться нейроны ретикулярной формации, толстые миелиновые нервные волокна ЦНС). |
| 3 | Фаза относительной рефрактерности. | Соответствует конечной части фазы реполяризации и следовой гиперполяризации до возвращения мембранного потенциала к исходному уровню после гиперполяризации. | В фазе реполяризации повышенная проницаемости мембраны для К и избыточный выход К из клетки препятствует возможной деполяризации, поэтому нужно приложить более сильное раздражение, чтобы вызвать возбуждение. В период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, следовательно, дальше отстоит от критического уровня деполяризации, поэтому также требуется бОльший раздражитель для возбуждения. | Период восстановления возбудимости. Сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. |
| 4 | Фаза экзальтации | Соответствует следовой деполяризации. | Возбудимость повышена, т.к. вследствие частичной следовой деполяризации мембранный потенциал несколько меньше обычного и, следовательно, ближе к уровню критической деполяризации, что объясняется повышенной проницаемостью мембраны для Na. | Период повышенной возбудимости. Возможна в тех клетках, где происходит следовая деполяризация, например, в нейронах ЦНС. Очередной ПД можно вызвать более слабым раздражением. |
Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность. Лабильность, или функциональная подвижность, - скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Лабильность, как и ПД, зависит от скорости перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, в свою очередь, зависит от проницаемости клеточной мембраны. При этом особое значение имеет длительность рефрактерной фазы: чем она больше, тем ниже лабильность.
Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1 с. Лабильность тканей существенно различается. Так, лабильность нерва равна 500-1000 имп/с, мышцы – около 200 имп/с, нервно-мышечного синапса – порядка 100 имп/с.
Лабильность ткани понижается при длительном бездействии органа и при утомлении, а также в случае нарушения иннервации. При постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается. Это явление было открыто в 1923г. А.А. Ухтомским и получило название усвоение ритма раздражения.
Билет 7.
Распространение возбуждения по нервному волокну.
Потеннциал действия или нервный импульс может возникать в любой точке возбудимой мембраны нервного или мышечного волокна и способен распространяться вдоль ее поверхности. При этом роль потенциала действия заключается в передаче информации по нервным волокнам от тела нейрона к нервному окончанию. Когда потенциалы действия достигают терминалей аксона, то информация передается на другие нейроны благодаря выделению из нервных окончаний молекул медиаторов. В мышечных клетках потенциалы действия распространяются по сарколемме и активируют механизм сокращения мышц.
ЗАКОНЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
• Бездекрементное проведение возбуждения. Амплитуда ПД в различных участках нерва одинакова, то есть проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется без затухания (бездекрементно). Таким образом, кодирование информации осуществляется не за счёт изменения амплитуды ПД, а путём изменения их частоты и распределения во времени.
• Изолированное проведение возбуждения. Нервные стволы обычно образованы большим количеством нервных волокон, однако ПД, идущие по каждому из них, не передаются на соседние. Эта особенность нервных волокон обусловлена: ? наличием оболочек, окружающих отдельные нервные волокна и их пучки (в результате образуется барьер, предупреждающий переход возбуждения с волокна на волокно); ? сопротивлением межклеточной жидкости (жидкость, находящаяся между волокнами, имеет гораздо меньшее сопротивление току, чем мембрана аксонов; поэтому ток шунтируется по межволоконным пространствам и не доходит до соседних волокон).
• Физиологическая и анатомическая целостность. Необходимым условием проведения возбуждения является не только его анатомическая целостность, но и нормальное функционирование мембраны нервного волокна (физиологическая целостность). В клинике широко применяют различные ЛС, нарушающие физиологическую целостность нервных волокон. Так, эффекты местных анестетиков (новокаин, лидокаин, и др.) основаны на блокаде потенциалозависимых Na+ каналов. Нарушение физиологической целостности чувствительных нервных волокон вызывает анестезию (потерю чувствительности).
8. Типы нервных волокон, их физиологические различия
Имеется два типа нервных волокон – миелинизированные и немиелинизированные. Оболочку немиелинизированных волокон образуют шванновские клетки (если волокно покрыто оболочкой шванновской клетки). Оболочку миелинизированных волокон в периферической нервной системе формируют шванновские клетки, а в ЦНС – олигодендроциты. Миелиновая оболочка через равные промежутки прерывается, образуя свободные от миелина участки – узловые перехваты Ранвье. Миелиновая оболочка нервных волокон выполняет изолирующую функцию, обеспечивает более экономное и быстрое проведение возбуждения.