Geum.ru

Учебно-методический комплекс «Анатомия и физиология центральной нервной системы» для студентов дневного отделения пи юфу, обучающихся по специальности

Вид материалаУчебно-методический комплекс

Содержание


Правильные ответы
Вопросы к экзамену
Подобный материал:
1   2   3

Вариант 2



1.Мышца состоит из волокон, волокна из миофибрилл, а те в свою очередь из протофибрилл. Какие из перечисленных объектов укорачиваются во время сокращения?


А. мышца;

Б. протофибриллы;

В. миофибриллы, за счет вдвигания тонких протофибрилл между толстым;

Г. миофибриллы, за счет вдвигания толстых протофибрилл между тонким.


2.Какой процесс в онтогенезе нервной системы появляется раньше торможение или возбуждение?

А. одновременно, т.к. они обеспечивают координацию;

Б. торможение т. к. без него невозможна рефлекторная деятельность;

В. возбуждение т. к. без него невозможна рефлекторная деятельность;

Г. торможение в коре больших полушарий.


3. Что произойдет с нервной клеткой, если ее обработать цианидами?

А. не будут выходить ионы калия и мембранный потенциал уменьшится;

Б. не будет синтезироваться АТФ и белки, клетка утратит возбудимость и погибнет;

В. повысится концентрация натрия в цитоплазме нейрона;

Г. нарушится обмен веществ в нейроне и уменьшится амплитуда потенциала действия.


4. Во время фазы реполяризации ПД на нерв повлияли препаратом, который способствует дополнительному открытию калиевых каналов. Как это скажется на продолжительности фазы следовой гиперполяризации?

а) она уменьшится;

б) она не изменится;

в) она увеличится;

г) фаза будет отсутствовать.


5. Что является препятствием для выравнивания разности концентрации ионов во внутриклеточной и внеклеточной среде?

а) закрытые натриевые каналы;

б) калий натриевый насос;

в) закрытые калиевые каналы;

г) открытые калиевые каналы.


Вариант 3

1. Если бы клеточная мембрана была абсолютно непроницаема для ионов, как бы изменилась величина потенциала покоя:

а) возросла;

б) уменьшилась;

в) равнялась бы нулю;

г) не изменилась

2.Батрахнотоксин – сильный нейротоксин, который значительно увеличивает натриевую непроницаемость мембраны в покое. Как этот яд повлияет на величину потенциала покоя (ПП)?

а) ПП увеличится;

б) ПП уменьшится;

в) ПП снизится до нуля;

г) ПП не изменится.


3. После трудового дня порог слуховой чувствительности у рабочего изменился с 5 децибел до 12 децибел. Как изменилась возбудимость органа слуха?

А. снизилась;

Б. повысилась;

В. не изменилась;

Г. стала равна нулю.

4. При удалении зуба для обезболивания используют раствор новокаина. Почему его вводят не в десну возле удаляемого зуба, а в область чувствительного нерва?

А. Чтобы нарушить синоптическую передачу возбуждения в нервных центрах;

Б. чтобы нарушить механизм проведения возбуждения по нерву;

В. чтобы снизить возбудимость нервной системы;

Г. чтобы вызвать торможение в головном мозга.


5. Если повысить концентрацию ионов натрия внутри нервной клетки, как это повлияет на возникновение потенциала действия (ПД)?

А. ПД увеличится;

Б. ПД не изменится;

В. ПД уменьшится или вообще не возникнет;

Г. ПД будет равен нулю.


^ Правильные ответы:


I вариант: 1(б); 2(г); 3(б); 4(б); 5(б).

II вариант: 1(в); 2(в); 3(б); 4(в); 5(б).

III вариант: 1(в); 2(б); 3(а); 4(б); 5(в).


Оценка в %:

10 правильных ответов –100%

9 правильных ответов – 90%

8 правильных ответов – 80%

7 правильных ответов – 70%

6 правильных ответов – 60%

5 правильных ответов – 50%

4 правильных ответов – 40%

3 правильных ответов – 30%

2 правильных ответов – 20%

1 правильный ответ – 10%

^ ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ

ПО АНАТОМИИ И ФИЗИОЛОГИИ ЦНС.

(2008-9 уч. год)
  1. Нейрон – основная структурно-функциональная единица нервной ткани.
  2. Классификация нервных клеток.
  3. Морфология нейрона.
  4. Межклеточные взаимодействия в нервной системе.
  5. Рецепторы, их классификация и значение.
  6. Синапс, его строение и классификация.
  7. Механизм проведения возбуждения через синапс.
  8. Строение и особенности функционирования нервно-мышечного синапса.
  9. Структурная и функциональная характеристика глиальных клеток.
  10. Олигодендрология и ее роль в образовании миелиновых оболочек.
  11. Гистогенез нервной ткани.
  12. Развитие нервной системы в эмбриогенезе человека.
  13. Оболочки спинного и головного мозга.
  14. Желудочки головного мозга и гематоэнцефалический барьер.
  15. Понятие биологической реакции. Раздражимость и возбудимость. Классификация раздражителей.
  16. Механизм мембранного потенциала нервных и мышечных клеток.
  17. Механизм генерации потенциала действия.
  18. Изменение возбудимости в разные фазы волны возбуждения.
  19. Роль калий -натриевого насоса в генерации биопотенциалов.
  20. Местное и распространяющееся возбуждение, их различия.
  21. Полярный закон, действие постоянного тока на возбудимые образования.
  22. Закон раздражения. Хронаксия, лабильность.
  23. Ритмическое возбуждение, максимальный, оптимальный и пессимальный ритмы возбуждения.
  24. Парабиоз, его стадии.
  25. Нейрон и функции его частей.
  26. Нервные волокна, проведение возбуждения по нервным волокнам.
  27. Рефлекс как основной акт нервной деятельности.
  28. Торможение в ЦНС.
  29. Первичное торможение в ЦНС.
  30. Вторичное торможение в ЦНС, его виды и роль.
  31. Нервные центры, их свойства (односторонне проведение, последействие и др.).
  32. Координация нервной деятельности (индукция, иррадиация, реципрокность).
  33. Учение А.А. Ухтомского.о доминанте.
  34. Строение нервной системе.
  35. Анатомические строение спинного мозга.
  36. Нейронные структуры спинного мозга.
  37. Восходящие пути спинного мозга.
  38. Нисходящие проводящие пути спинного мозга.
  39. Серое вещество спинного мозга, пластины Рекседа.
  40. Рефлекторная функции спинного мозга.
  41. Анатомическое строение продолговатого мозга, его ядра.
  42. Черепно – мозговые нервы продолговатого мозга.
  43. Рефлекторная деятельность продолговатого мозга.
  44. Анатомическое строение моста, его ядра и проводящие пути.
  45. Черепно-мозговые нервы моста.
  46. Рефлекторная деятельность моста.
  47. Анатомическое строение мозжечка.
  48. Ядра и проводящие пути мозжечка и функции мозжечка.
  49. Нейрофизиологические корреляты речи.
  50. Морфофункциональная организация среднего мозга.
  51. Черепно – мозговые нервы среднего мозга.
  52. Функции среднего мозга.
  53. Строение промежуточного мозга, ядра таламуса.
  54. Строение таламуса, его ядра, их строение и значение.
  55. Гипоталамус, его строение.
  56. Роль гипоталамуса в регуляции вегетативных функций.
  57. Терморегуляционная функция гипоталамуса.
  58. Участие гипоталамуса в регуляции поведенческих реакций.
  59. Гипоталамо – гипофизарная система и ее гормоны.
  60. Ретикулярная формация, ее строение и функции.
  61. Лимбическая система, ее строение и функции.
  62. Базальные ганглии, их строение и функции.
  63. Строение и особенности вегетативной нервной системы.
  64. Парасимпатический отдел вегетативной нервной системы.
  65. Симпатический отдел вегетативной нервной системы, его строение и функции.
  66. Метасимпатический отдел вегетативной нервной системы, его строение.
  67. Анатомическое строение конечного мозга.
  68. Древняя и старая кора больших полушарий.
  69. Структурная организация новой коры, электроэнцефалография.
  70. Морфофункциональная характеристика новой коры, ее зоны.
  71. Проводящие пути, афферентные и эфферентные коры головного мозга.
  72. Сравнительное строение соматических и вегетативных рефлексов.
  73. Механизм и биоэнергетика мышечных сокращений.
  74. Гипоталамо-гипофизарно –надпочечниковая система и механизмы адаптации и стрессов.
  75. Двигательные системы мозга и центральная регуляция моторных функций.



Рекомендуемая литература:


Основная:


  1. Физиология центральной нервной системы. отв. ред. Г.А.Кураев, из-во РГУ, 1995.
  2. Ноздрачев Н.Д. Физиология вегетативной нервной системы.
  3. Общая физиология нервной системы. Руководство по физиологии. М., 1979.
  4. Физиология человека/под. ред. Р.Шмидта, Г.Тевса, М, 1985,1т.
  5. Котляр Б.И., Шульговский В.В. Физиология центральной нервной системы, М. 1979.
  6. Общий курс физиологии человека и животных, под. ред. А.Д.Ноздрачев, М. "Высшая школа", 1991.,1-2т.
  7. Физиология человека/под ред. Г.Ф. Коротько, В.М. Покровского, М.: «Медицина»1998, т.1
  8. .Морфология нервной системы/под ред. В.П.Бабминдра, изд-во ЛГУ,1985.
  9. .Шквирина О.И., Омельченко О.Л. Анатомия в схемах и рисунках, изд-во РГПУ,1999.
  10. Богданов А.В. Физиология центральной нервной системы. М., Из-во УРАО, 2002
  11. Шульговский В.В. Физиология центральной нервной системы. М., 1997
  12. Шеперд Г. Нейробиология: 2т., М.,1987

13.Недоспасов В.О. Физиология центральной нервной системы. М. ООО УМК «Психология»2002

Дополнительная:


  1. Бехтерева Н.П. Здоровый и больной мозг человека. Л. "Наука", 1988.
  2. Костюк П.Г. Физиология центральной нервной системы. Киев, 1977.
  3. Куффлер С., Николс Д. От нейрона к мозгу. М, 1979.
  4. Механизмы деятельности мозга человека. Т.1 Нейрофизиология человека. Л. 1988 ("Основы современной физиологии").

Лекция №1.

Биоэлектрические явления.

Все клетки способны в ответ на действие раздражителей переходить из состояния физиологического покоя в состояние возбуждения. Термин «возбудимые ткани» применяют специально по отношению к нервной, мышечной и железистой тканям, в которых возбуждение сопровождается возникновением электрического импульса, распространяющегося вдоль клеточной мембраны.

Возбуждение характеризуется совокупностью электрических, химических, температурных, функциональных и структурных изменений живой клетки. Среди них особое значение имеют биоэлектрические явления.

Зарождение учения о «животном электричестве», т. е. об электрических явлениях, возникающих в живых тканях, относятся ко второй половине ХV11I века. Вскоре после открытия лейденской банки было показано, что некоторые рыбы (электрический скат, электрический угорь) обездвиживают свою добычу, поражая ее электрическим разрядом большой силы. Тогда же Дж. Пристли высказал предположение, что распространение нервного импульса представляет собой течение вдоль нерва «электрической жидкости», а Бертолон пытался построить теорию медицины, объясняя возникновение болезней избытком я недостатком в организме этой жидкости.

Попытка последовательной разработки учения о <животном электричестве» была сделана Л. Гальвани в его известном «Трактате о силах электричества при мышечном движении» (1791). Занимаясь изучением физиологического влияния разрядов электрической машины, а также атмосферного электричества во время грозовых разрядов, Гальвани в своих опытах использовал препарат задних лапок лягушки, соединенных с позвоночником. Подвешивая этот препарат на медном крючке к железным перила балкона, ов обратил внимание, что когда лапки лягушки раскачивались ветром, то их мышцы сокращались, при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны «животным электричеством», зарождающимся в спинном мозгу лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам лапки.

Опыты Гальвани повторил А. Вольта (4792) и установил, что описанные Гальвани явления нельзя считать обусловленными «животным электричеством»; в опытах Гальвани источником тока был не спинной мозг лягушк, а цепь, образованная из разнородных металлов — меди и железа. В ответ на возражения Вольта, Гальвани произвел новый опыт, уже без участия металлов. Он показал, что если с задних конечностей лягушки удалить кожу, затем перерезать седалищный нерв у места выхода его корешков из спинного мозга и отпрепарировать нерв вдоль бедра до голени, то при набрасывании нерва на обнаженные мышцы голени они сокращаются.

С изобретением в 20-х годах ХIХ столетия гальванометра (мультипликатора) и других электроизмерительных приборов физиологи получили возможность точно измерять электрические токи, возникающие в живых тканях, посредством специальных физических приборов.

С помощью мультипликатора К. Маттеучи (1838) впервые показал, что наружная поверхность мышцы заряжена электроположительно по отношению к ее внутреннему содержимому и эта разность потенциалов, свойственная состоянию покоя, резко падает в возбуждении. Маттеучи произвел также опыт, известный под названием опыта вторичного сокращения: при прикладывании к сокращающейся мышце нерва второго нервно- мышечного препарата его мышца тоже сокращается. Опыт Маттеучи объясняется тем, что возникающие в мышце при возбуждении потенциалы действия оказываются достаточно сильными, чтобы вызвать возбуждение приложенного к первой мышце нерва, а это влечет за собой сокращение второй мышцы.

Наиболее полно учение об электрических явлениях в живых тканях было разработано в 40—50-х годах прошлого столетия Э. Дюбуа-Реймоном. Особой его заслугой является техническая безупречность опытов. С помощью усовершенствованных им и приспособленных для нужд физиологии гальванометра, индукционного аппарата и неполяризующихся электродов Дюбуа-Реймон дал неопровержимые доказательства наличия электрических потенциалов в живых тканях как в покое, так и при возбуждении. На протяжении второй половины ХIХ и в ХХ веке техника регистрации биопотенциалов непрерывно совершенствовалась.

Между наружной поверхностью клетки и ее протоплазмой в состоянии покоя существует разность потенциалов порядка 60—90 мВ, причем поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к протоплазме. Эту разность потенциалов принято называть потенциалом покоя, мембранным потенциалом. Точное измерение потенциала покоя возможно только с помощью микроэлектродов, предназначенных для внутриклеточного отведения.

Исследования мембранного потенциала показывают, что он у разных клеток неодинаков, но у всех клеток, цитоплазма отношению к внеклеточной среде имеет отрицательный заряд. Так, мембранный потенциал поперечнополосатых мышечных волокон равен б0—90 мВ, нервных волокон и клеток 60—70 мВ, клеток соёдинительной ткани — 30—50 мВ и эпителиальной ткани—15—35 мВ. Величина мембранного потенциала у клеток одного типа не постоянна. В начальном периоде онтогенеза она повышается и, достигнув определенного уровня в зрелом возрасте, снижается в процессе старения организма.

В настоящее время убедительно доказано, что мембранный потенциал имеет любая живая клетка, а природа его возникновения объясняется положениями мембранной теории. Основные положения мембранной теории были разработаны Ю. Бернштейном (1902, 1912). При создании мембранной теории он исходил из наличия у живых клеток мембран, обладающих избирательной проницаемостью для ионов калия и мало или абсолютно непроницаемой для других ионов, в частности для ионов натрия. Причина возникновения потенциала покоя общая для всех клеток: 1.ионная асимметрия; 2.избирательная проницаемость мембраны; 3.работа натрий-калиевого насоса.

Между протоплазмой и внеклеточной средой существует неравномерное распределение ионов (так называемая ионная асимметрия). Жизнь началась в воде мирового океана. И, выйдя на сушу, животные вынесли в буквальном смысле в себе частицу своей первой среды обитания. Состав нашей крови по соленому балансу напоминает состав океанской воды. То же можно сказать и об ионном составе внеклеточной среды в центральной нервной системе. Она тоже в какой-то мере напоминает ионный состав нашей прародины и содержит много хлористого натрия. А вот ионный состав цитоплазмы клеток в этом отношении много беднее. Натрия и хлора там значительно меньше, чем во внеклеточной среде. В 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора. Основным катионом цитоплазмы является калий. Его концентрация внутри клетки в 30 раз выше, чем во внеклеточной среде и приблизительно равняется внеклеточной концентрации натрия. В цитоплазме клеток находится много крупномолекулярных органических анионов и поэтому изнутри мембрана оказывается, заряжена отрицательно. Т.е. между внутриклеточной и внеклеточной средами существует ионная асимметрия, концентрационный градиент.

Градиент — это пространственно ориентированные количественные отличия в тех или иных физиологических или морфологических свойствах организма, изменяющиеся на каждом из этапов его развития. Проще говоря — это направление изменений, происходящих в какой-нибудь структуре. В данном случае — в клетке. Неравномерное распределение ионов приводит к появлению концентрационных ионных градиентов между цитоплазмой клетки и наружной средой; калиевый градиент направлен изнутри наружу, а натриевый и хлорный — снаружи внутрь. Почему в таком случае концентрации калия и натрия не выравниваются? Ведь градиент существует? Тому есть два основных препятствия.

Препятствует быстрому выравниванию разности концентрации ионов тончайшая (100 Е) плазматическая мембрана, покрывающая клетку. Клеточная мембрана обладает значительными электрическим сопротивлением и емкостью.

Согласно электронно-микроскопическим ее толщина составляет 5—10 нм. В основу современных представлений о структуре мембран положена жидкостно-мозаичная модель. Согласно этой модели в жидком липидном бислое плавают глобулярные белки - интегральные и периферические. Одни из них являются ионными каналам, другие (например, гликопротеиды) содержат олигосахаридные белковые цепи, участвующие в узнавании клетками друг друга и межклеточной коммуникации. Структура мембраны высокодинамична: липиды способны к латеральной и вращательной диффузии, они могут переходить из одного монослоя в другой. Белкам свойственна и вращательная диффузия. Однако часть белков иммобилизована («заякорена») структурами цитоскелета и не может свободно плавать. В последние годы предложена твердокаркасная жидкостно-мозаичная модель. В этой модели мембрана уподобляется белковому каркасу, ячейки которого заполнены липидным бислоем. В формировании непрерывного каркаса участвуют внутримембранные белки, белки цитоскелета, прилегающие к внутренней поверхности мембраны, а с наружной стороны — белки экстраклеточного матрикса: коллаген, фиброкинин. Важным структурным компонентом мембран является вода. В транспорте веществ через мембрану принято выделять пассивный и активный транспорт. Пассивный транспорт — неэлектролитов и ионов через мембрану по градиенту химического ила электрохимического потенциала. Это может быть простая диффузия через липидный бислой, либо облегченная диффузия, осуществляемая переносчикам или по каналам в мембране. Процессы облегченной и простой диффузии направлены на выравнивание градиентов и установление равновесия в системе. Активный транспорт- перенос неэлектролитов и ионов против градиента химического и электрохимического потенциала сопряжен с энергетическими затратами. Основное отличие активного транспорта от облегченной диффузии состоит в том, что одна из стадий активного транспорта энергозависима. Для перемещения ионов и молекул против концентрационных градиентов, служат насосы, используя для этого метаболическую энергию.

Мембранные белки всех клеток делятся на пять классов: насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Белковые каналы (или поры) обеспечивают избирательную диффузию через мембрану соответствующих им по размеру ионов и молекул. Рецепторные белки, обладающие высокой специфичностью, распознают и связывают, прикрепляя к мембране, многие типы молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки в каждый определенный момент времени. Ферменты облегчают течение химических реакций у поверхности мембраны. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры. Все эти белки специфичны, но не строго. В определенных условиях тот или иной белок может быть одновременно и насосом, и ферментом, и рецептором.

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических кислот, по существу, совсем не проходят через мембрану (могут покидать клетку лишь путем экзоцитоза). В то же время в мембране нервного волокна существуют каналы, проницаемые для воды, для малых молекул водорастворимых веществ и для малых ионов.

В основе многих физиологических процессов (передача электрических и химических сигналов, мышечное сокращение, секреторный процесс и т. д.) лежит, прежде всего, работа ионных каналов. Их характеристики могут изменять некоторые фармакологические препараты и яды.

Каналам биомембран свойственна характерная избирательность для ионов (селективность), а также способность открываться и закрываться при различных воздействиях на мембрану (воротная функция). Переходы каналов из открытого состояния в закрытое состояние (воротный механизм) могут быть обусловлены изменениями мембранного потенциала, взаимодействием с определенными химическими веществами, специфическим фосфорилированием каналов. Воротный механизм каналов управляется сенсором внешнего стимула. В зависимости от локализации сенсора каналы разделяются на две группы. Только что описанные каналы, через которые проходят ноны калия, открыты всегда: и в состоянии покоя, и при возбуждении клетки они мало зависят от внешних условий и поэтому являются каналами пассивного типа. В противоположность этому существуют управляемые ионные каналы, большинство из которых в состоянии покоя клетки закрыты, а для того, чтобы их открыть, необходимо каким-то образом на них подействовать. Следовательно, такие каналы являются управляемыми, а в зависимости от способа управления их подразделяют на три типа:

1) потенциалзависимые;

2) хемозависимые;

3) управляемые механически.

Устройство, с помощью которого открываются или закрываются каналы, часто называют воротным механизмом или даже воротами, хотя такое сравнение не вполне корректно. Современные представления об ионных каналах сложились в связи с двумя подходами к их изучению. Во-первых, это метод локальной фиксации, позволяющий наблюдать ток ионов через одиночный канал. Эту технику изобрели в конце 70-х годов Эрвин Неер и Берт Закман, лауреаты Нобелевской премии 1991 года. Во-вторых, пониманию свойств каналов способствовало построение их моделей на основе расшифрованного генетического кода многих канальных белков и установленной в связи с этим аминокислотной последовательностью молекул.

Каждый канал образован несколькими белковыми субъединицами, которые представляют собой длинные цепи аминокислот, скрученных в а-спираль. Форма а-спирали может меняться, например, в связи с изменением трансмембранной разности потенциалов (что исключительно важно для потенциалзависимых каналов). Изменение формы а-спирали приводит к перемещению аминокислот, в том числе несущих электрический заряд. В результате заряды таких аминокислот, как лизин или аргинин, могут оказаться во внутренней стенке ионного канала и сделать её гидрофильной: тогда покрытые гидратной оболочкой ионы смогут проходить через канал. Возвращение альфа-спирали к прежней форме приводит к тому, что во внутренней стенке канала снова оказываются гидрофобные участки и поэтому ток ионов прекращается. В образовании разных типов каналов участвуют от двух до семи субъединиц, белковая цепь каждой субъединицы несколько раз пересекает клеточную мембрану, причём каждая область пересечения выполняет определённую задачу: одни образуют стенки канала, другие служат датчиками изменений электрического поля, третьи, выступающие за наружную сторону мембраны, являются рецепторами, четвёртые объединяют канал с цитоскелетом.

Потенциалзависимые каналы открываются или закрываются в связи с определёнными изменениями мембранного потенциала. Например, натриевые каналы в состоянии покоя закрыты, но, если мембранный потенциал уменьшится до критического значения, они открываются. Если деполяризация продолжится до положительного значения мембранного потенциала, то каналы закроются.

Хемозависимые каналы открываются вследствие присоединения нейромедиатора к выступающей наружу гликопротеиновой рецепторной области канального белка, такой тип каналов используется в синапсах.

Механически управляемые каналы характерны для чувствительных окончаний нейронов, реагирующих на растяжение и давление. Эти каналы особым способом связаны с цитоскелетом, что и приводит их к открытию при деформации клетки.

Сам момент открытия канала — всего лишь мгновение, длящееся миллионные доли секунды. Но и в открытом состоянии каналы находятся недолго — лишь несколько миллисекунд, после чего стремительно закрываются. Однако пропускная способность открытого канала поразительна: ток ионов происходит со скоростью до 100 000 000 ионов/с, что можно сравнить только с деятельностью самых «быстрых» ферментов, как, например, карбоангидраза, катализирующая образование и дегидратацию углекислоты в эритроцитах крови.

Кроме открытого и закрытого конформационных состояний каналы могут стать инактивированными: это значит, что они закрыты, но не подчиняются, как обычно, действию механизмов управления и не открываются. Состояние инактивации наблюдается немедленно после закрытия каналов, продолжается несколько мс и контролируется особыми субъединицами или особыми регионами белковой молекулы. Во время инактивации каналов клетка перестаёт отвечать на возбуждающие её стимулы, что определяется термином рефрактерность, т.е. временная невозбудимость.

Ионные каналы имеются в мембране любой клетки организма, но в мышечных и особенно в нервных клетках их плотность намного больше, чем в клетках других тканей. В нейронах, кроме высокой плотности каналов, обнаружено них большое разнообразие. Это не случайно, поскольку именно каналы определяют условия возникновения электрических сигналов, характер самих сигналов, скорость их проведения и т.п., что собственно и позволяет нейронам выполнять свою главную задачу: принимать, перерабатывать и передавать информацию.

Существует довольно много веществ, способных обратимо или необратимо связываться с молекулами канальных белков и, тем самым, блокировать их, т.е. выводить из подчинения управляющим механизмам. Блокированные каналы чаще всего оказываются закрытыми, хотя в некоторых случаях фиксируется открытое положение канала. Блокировать каналы способны многие из давно известных ядов животного или растительного происхождения. Так, например, во внутренностях некоторых сростночелюстных рыб (фугу, рыба-собака) содержится тетродотоксин, блокирующий натриевые каналы. Тетродотоксин достаточно давно применяется в экспериментальной практике, связанной с исследованием мембранной проницаемости.

Натриевые каналы может блокировать и другой животный яд — батрахотоксин, который содержится в слизи некоторых южноамериканских лягушек, например, пятнистого древолаза, батрахотоксин блокирует натриевые каналы, а такая блокада не позволяет нервным клеткам возбуждаться.

Растительный яд кураре и змеиный яд альфа-бунгаротоксин избирательно блокирует хемозависимые каналы нервно-мышечных синапсов. Вещество искусственного происхождения — тетраэтиламмоний специфически блокирует калиевые каналы; его часто использовали в экспериментальной практике. А в медицине применяют многие лекарственные вещества, точкой приложения которых являются ионные каналы: с помощью таких веществ можно управлять определёнными ионными каналами и тем самым влиять на активность нейронов.

В покое на наружной стороне плазматической мембраны располагается тонкий слой положительных зарядов, а на внутренней стороне — отрицательных. Электрический заряд наружной поверхности принято считать нулевым, поэтому трансмембранная разность потенциалов или мембранный потенциал покоя (МПП) имеет отрицательное значение. В типичном для большинства нейронов случае потенциал покоя равен приблизительно —60 -70 мВ. В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большинство калиевых каналов — открыто. Это состояние ионных каналов мембраны, например, закрытое у натриевых и открытое у значительной части калиевых, очень важно для генерации МПП нервной клетки. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для калия, натрия и хлора (больше всего для калия). Эти каналы не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

В покое мембрана в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ионов натрия, а при возбуждении натриевая проницаемость примерно в 20 раз превышает калиевую проницаемость мембраны. Казалось бы, в покое равные концентрации калия в цитоплазме и натрия во внеклеточной среде должны обеспечить и равное количество положительных зарядов по обе стороны мембраны. Но поскольку проницаемость для ионов калия выше в 25 раз, то калий, выходя из клетки, делает ее поверхность положительно заряженной по отношению к внутренней стороне мембраны, около которой все более и более накапливаются слишком крупные для пор мембраны, отрицательно заряженные молекулы аминокислот. Которые “отпустили” калий за пределы клетки, но “не дают” ему уйти далеко благодаря своему отрицательному заряду. Поэтому с внутренней стороны мембрана заряжена отрицательно, а с внешней положительно, т.е. возникает разность потенциалов.

Но что же удерживает эту разность на уровне 60—70 мВ и не дает ей возрастать все более и более? Диффузионный ток ионов натрия в протоплазму из внеклеточной жидкости. Он в покое хоть и слабее в 25 раз, чем встречный ток ионов калия, но все-таки есть, и ионы натрия, проникая внутрь клетки, несколько снижают величину потенциала покоя, позволяя ей удерживаться на определенном уровне.

Таким образом, величина потенциала покоя мышечных и нервных клеток, а также нервных волокон определяется соотношением числа положительно заряженных ионов калия, диффундирующих в единицу времени из клетки наружу, и положительно заряженных ионов натрия, диффундирующих через мембрану в противоположном направлении. Чем это соотношение выше, тем больше величина потенциала покоя, и наоборот.

Важным условием для формирования МПП является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы, так называемого натрий-калиевого насоса мембраны, непрерывно откачивающего натрий из клетки в обмен на калий. Он получил название натрий-калиевого, или ионного, поскольку осуществляет активное выведение (выкачивание) из протоплазмы проникающих в нее ионов натрия и введение (нагнетание) в нее ионов калия. Источником энергии для работы ионного насоса является расщепление богатого энергией фосфорного соединения — аденезинтрифосфата (АТФ), которое происходит под воздействием фермента - аденезинфосфотазы (АТФ-азы), локализованной в мембране клетки и актируемой теми же ионами, т.е. калием и натрием. Этот фермент еще называют натрий-калий-зависимой АТФазой. Это достаточно крупный белок, несколько превышающий по размеру толщину клеточной мембраны. Молекула этого белка, пронизывая мембрану насквозь, связывает с внутренней стороны преимущественно натрий и АТФ, а с наружной — калий и различные ингибиторы типа гликозидов. При этом возникает так называемый активный мембранный ток. Благодаря этому току обеспечивается соответствующее направление переноса ионов. Перенос ионов происходит в три этапа. Сначала ион соединяется с молекулой переносчика, образуя комплекс — ион-переносчик. Затем этот комплекс проходит через мембрану или переносит через нее заряд. И, наконец, ион освобождается от переносчика на противоположной стороне мембраны. Одновременно происходит аналогичный процесс, переносящий ионы в противоположном направлении.

Поскольку этот насос работает таким образом, что, удаляя из клетки три иона натрия, он вводит в нее два иона калия, т. е. в конечном счете, удаляя из клетки положительные заряды, он вносит прямой клад в создание потенциала покоя. Косвенная роль натрий-калиевого насоса связана с тем, что он поддерживает высокую концентрацию калия во внутриклеточной среде. Функционирование насоса по такой схеме приводит к следующим результатам.
  1. Поддерживается высокая концентрация ионов К+ внутри клетки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транспорт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт.

2. Поддерживается низкая концентрация ионов натрия внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой — обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки.

З. Поддерживая стабильный концентрационный градиент ионов натрия, натрий-калиевый насос способствует сопряженному транспорту аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.

Таким образом, возникновение трансмембранной разности потенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К + (для мышечных клеток и ионов хлора), ионной асимметрией концентраций для ионов К (для мышечных клеток и для ионов хлора), работой систем активного транспорта, которые создают и поддерживают ионную асимметрию.

Исходя из ранее сказанного, основным фактором, ответственным за создание потенциала покоя, служит высокая проницаемость мембраны для калия (по сравнению с другими ионами), благодаря которой калий диффундирует из клетки до тех пор, пока его выходу не будет препятствовать накопление в клетке отрицательных зарядов.

Кроме открытого и закрытого конформационных состояний каналы могут стать инактивированными: это значит, что они закрыты, но не подчиняются, как обычно, действию механизмов управления и не открываются. Состояние инактивации наблюдается немедленно после закрытия каналов, продолжается несколько мс и контролируется особыми субъединицами или особыми регионами белковой молекулы. Во время инактивации каналов клетка перестаёт отвечать на возбуждающие её стимулы, что определяется термином рефрактерность, т.е. временная невозбудимость. Ионные каналы имеются в мембране любой клетки организма, но в мышечных и особенно в нервных клетках их плотность намного больше, чем в клетках других тканей. В нейронах, кроме высокой плотности каналов, обнаружено них большое разнообразие. Это не случайно, поскольку именно каналы определяют условия возникновения электрических сигналов, характер самих сигналов, скорость их проведения и т.п., что собственно и позволяет нейронам выполнять свою главную задачу: принимать, перерабатывать и передавать информацию. А электрическая поляризация мембраны – главное условие, обеспечивающее возбудимость клетки. Это ее постоянная готовность к действию. Это запас потенциальной энергии клетки, который она может использовать в случае, если нервной системе понадобится ее немедленная реакция. Емкость мембраны и работа метаболических ионных насосов приводят к накоплению потенциальной электрической энергии на клеточной мембране в форме потенциала покоя. Эта энергия может освобождаться в виде специфических электрических сигналов (потенциала действия), характерных для возбудимых тканей: нервной, мышечной, некоторых рецепторных и секреторных клеток.

Процессы возбуждения и торможения имеют непосредственную связь величиной мембранного потенциала и его изменениями. Причем процесс возбуждения, как правило, сопровождается быстронарастающей деполяризацией с возможной последующей генерацией потенциала действия, а процесс торможения находит свое электрофизиологическое выражение в гиперполяризации. Если раздражать аксон через находящийся в цитоплазме электрород, кратковременными импульсами деполяризующего электрического тока, величина которых варьирует от слабых до сильных надпороговых. То, регистрируя через другой электрод изменения мембранного потенциала, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический потенциал, локальный ответ и потенциал действия.

Если наносятся слабые раздражения, величина которых не превышает 0,5 величины порогового раздражения, то деполяризация мембраны фактически наблюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная электротоническая деполяризация или электротонический потенциал (локальный ответ). Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненциальной кривой и определяется параметрами раздражающего тока, а также постоянной времени мембраны, т. е. произведением ее сопротивления и емкости. Во время развития электротонического потенциала ионная проницаемость мембраны практически не изменяется. При увеличении амплитуды подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 порога, деполяризация продолжает нарастать после прекращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчезает. Этот процесс деполяризации получил название локального ответа.

Локальный ответ имеет следующие основные свойства: а) возникает при действии подпороговых раздражителей; б) находится в градуальной зависимости от силы стимула, т. е. не подчиняется закону «все или ничего» в) локализуется в пункте действия раздражителя и практически не способен к распространению, так как характеризуется большой степенью затухания; г) при нанесении не скольких подпороговых раздражений, следующих с интервалом меньше продолжительности отдельного локального ответа, локальные ответы, возникая после каждого раздражения, суммируются, и деполяризация мембраны возрастает.

В период развития локального ответа изменяется ионная проницаемость мембраны, увеличивается поток ионов натрия из межклеточной среды в цитоплазму и повышается возбудимость структуры. Локальный ответ служит лабораторным феноменом, однако по перечисленным выше свойствам его можно приравнять к таким натуральным явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбудительный постсинаптический потенциал (ВСПС), возникающий под влиянием деполяризующего действия возбуждающих медиаторов на постсинаптическую мембрану. Эпителиальные клетки не способны генерировать потенциал действия, а их реакция на действие раздражителей выражается только в градуальных изменениях мембранного потенциала.

При нанесении достаточно сильных пороговых и сверхпороговых импульсов тока деполяризация мембраны достигает некоторого критического (порогового) уровня и в реакциях аксона начинают проявляться существенные качественные изменения. Критический уровень деполяризации у различных клеток и волокон неодинаков. Он может колебаться от нескольких милливольт до 30 и даже до 50 мВ. При сдвиге мембранного потенциала до критического уровня мембрана возбудимых структур резко изменяет ионную проницаемость, и возникают трансмембранные ионные потоки, под, влиянием которых внутренняя поверхность мембраны не только теряет свой отрицательный потенциал, но и приобретает положительный заряд, достигающий величины +30, +50 мВ, т.е. происходит инверсия потенциала мембраны. Возникающий при этом биоэлектрический потенциал получил название потенциала действия (ПД), т.е. ПД называют быстрое колебание мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В потенциале действия принято различать его пик и следовые процессы. Пик потенциала действия имеет восходящую и нисходящую фазы. Поскольку во время восходящей фазы исчезает исходная поляризация мембраны, эта фаза получила название фазы деполяризации, соответственно нисходящую фазу назвали фазой реполяризации, поскольку в это время возбудимость мембраны возвращается к уровню покоя.

В соответствии с положениями мембранной теории возникновение потенциалов действия объясняется тем, что как только деполяризация мембраны достигает критического (порогового) уровня, в мембране открываются натриевые поры или каналы и при этом проницаемость мембраны для ионов натрия по сравнению с состоянием покоя возрастает в десятки и даже сотни раз. В создавшихся условиях ноны натрия по концентрационному и электрохимическому градиенту лавинообразно устремляются внутрь возбудимой структуры, неся с собой положительные заряды.

Накопление ионов натрия в цитоплазме вначале приводит к нейтрализации заряда мёмбраны, но поскольку потенциал равновесия имеет положительный знак и примерно равен +60 мВ, то ионы натрия продолжают поступать в цитоплазму и внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд (инверсия потенциала мембраны). Однако положительный заряд внутренней поверхности мембраны не достигает величины потенциала равновесия для ионов натрия, так как, с одной стороны, происходит инактивация механизма, транспортирующего натрий в клетку, а с другой активируется выход ионов калия из клетки через калиевые поры, что приводит к развитию процесса реполяризации мембраны. Потенциалы действия у различных структур неодинаковы. Продолжительность потенциала действия у мотонейронов спинного мозга равна 1—3 мс, у миелинизированных нервных волокон— 0,4—1,5 мс, у поперечнополосатых мышечных волокон скелетной мускулатуры 1-8 мс. Более продолжительные потенциалы действия (до 300 мс) регистрируются у волокон мышцы сердца. Амплитуда потенциала действия определяется как сумма величин мембранного потенциала и инвертированного заряда мембраны без учета знака этих составляющих и колеблется от 90 до 140 мв. Параметры потенциала действия имеют очень важное физиологическое значение, ибо с их помощью можно определить функциональную подвижность возбудимых структур.

Во время быстрой деполяризации и инверсии заряда мембраны, возбуждаемые структуры не способны реагировать на действие даже сверхпороговых раздражителей, так как в них развивается абсолютная рефрактерность, т.е. полная невозбудимость, она обусловлена инактивацией натриевой проницаемости.

Инактивация натриевой системы в процессе генерации потенциала действия приводит к тому, что клетка в этот период не может быть повторно возбуждена.

Постепенное восстановление потенциала покоя в процессе реполяризации дает возможность вызвать повторный потенциал действия, но для этого требуется сверхпороговый стимул, так как клетка находится в состоянии относительной рефрактерности. В процессе реполяризации, вследствие выхода ионов калия из цитоплазмы, на внутренней поверхности мембраны накапливается отрицательный заряд и происходит восстановление возбудимости. Период, когда происходит восстановление возбудимости и структура приобретает способность реагировать на действие сильных (сверхпороговых) раздражителей, называется фазой относительной рефрактерности.

Считают, что потенциал действия является основой процесса распространяющегося возбуждения и ему присущи следующие основные свойства: а) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражителей на фоне деполяризации, достигшей критического уровня; б) имеет порог возбуждения и подчиняется закону «все или ничего»; в) распространяется от места возникновения в виде волны возбуждения, без затухания и со значительной скоростью до 140 м/с; г) не способны к суммации.

После генерации потенциала действия обычно происходит сравнительно медленное восстановление мембранного потенциала до исходного уровня, и при этом регистрируются так называемые следовые реакции.

Следовые реакции возбудимых структур при внутриклеточной регистрации выражаются в следовой деполяризации и следовой гиперполяризации, при внеклеточной регистрации это соответственно следовой отрицательный потенциал и следовой положительный потенциал.

Во время следовой деполяризации (отрицательного следового потенциала) возбудимость структуры повышена, так как уровень мембранного потенциала выше исходного и необходима меньшая сила раздражителя, чтобы сместить мембранный потенциал до уровня пороговой критической деполяризации. При этом наблюдается супернормальная возбудимость. Исследование возбудимости клетки во время локального ответа или во время отрицательного следового потенциала показало, что генерация потенциала действия возможна при действии стимула ниже порогового значения. Это состояние супернормальности или экзальтации. Следовая гиперполяризация уменьшает возбудимость структур, и возбудимость становится субнормальной. Рассмотрев основные закономерности изменений мембранного потенциала, можно констатировать, что одиночный цикл возбуждения имеет фазный характер, причем каждой фазе этого цикла соответствует строго определенная степень (фаза) возбудимости.

Повышение проницаемости мембраны для ионов натрия продолжается в нервных волокнах лишь очень короткое время. Вслед за этим в клетке возникают восстановительные процессы, приводящие к тому, что проницаемость мембраны для ионов натрия вновь понижается, а проницаемость ее для ионов калия возрастает, на возбудимость мембраны влияют разные факторы, например, при дефиците кислорода, действии некоторых лекарственных веществ, система натриевых каналов полностью инактивируется и клетка становится невозбудимой.

Потенциалзависимость активации и инактивации в большой степени обусловлена концентрацией ионов кальция. При повышении концентрации кальция значение порогового потенциала увеличивается, при понижении — уменьшается и приближается к потенциалу покоя. При этом в первом случае возбудимость уменьшается, во втором — увеличивается.

В естественных условиях потенциалы действия генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нейронов. Распространение потенциалов действия по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе и к регулируемым ею органам.


Контрольные вопросы.

1. Что такое мембранный потенциал (потенциал покоя) клетки? В чем основная причина его возникновения и от чего зависит его величина?

2. Что является препятствием для выравнивания разности концентраций ионов во внутриклеточной и внеклеточной среде? Опишите механизмы ионного насоса.

3. Что такое потенциал действия? Опишите механизм возникновения каждой из его фаз.

4. Какие процессы лежат в основе возникновения потенциала действия?

5. Как проявляются следовые потенциалы? Объясните функциональное значение следовых потенциалов.

6. Какие свойства потенциала действия можно считать важнейшими? Объясните смысл правила «все или ничего».

7. Что такое абсолютная и относительная рефрактерность?

8. Какие каналы существуют в мембране возбудимых клеток?