Шпаргалка по «Нейрофизиологии»

 

20. Потенциал действия  клетки. Нейрофизиологический механизм  потенциала действия.

 

Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса.

Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы и потенциал действия большинства нейронов.

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. Под потенциалом действия понимают быстрое колебание потенциала покоя, сопровождающееся, как правило, перезарядкой мембраны.

Минимальное значение тока, необходимого для достижения критического потенциала, называют пороговым током. Следует подчеркнуть, что не существует абсолютных значений величины порогового тока и критического уровня потенциала, поскольку эти параметры зависят от электрических характеристик мембраны и ионного состава окружающей внешней среды, а также от параметров стимула. 

Анализ ионной природы потенциала действия, проведенный первоначально Ходжкиным, Хаксли и Катцем, позволил установить, что фронт нарастания потенциала действия и перезарядка мембраны (овершут) обусловлены движением ионов натрия внутрь клетки. Деполяризующий толчок тока приводит к активации натриевых каналов и увеличению натриевого тока. Это обеспечивает локальный ответ. Смещение мембранного потенциала до критического уровня приводит к стремительной деполяризации клеточной мембраны и обеспечивает фронт нарастания потенциала действия. Если удалить ион Na+ из внешней среды, то потенциал действия не возникает.

Критический потенциал определяет уровень максимальной активации натриевых каналов. Если смещение мембранного потенциала достигает значения критического уровня потенциала, то процесс поступления ионов Na+ в клетку лавинообразно нарастает. Система начинает работать по принципу положительной обратной связи, т. е. возникает регенеративная (самоусиливающаяся) деполяризация.

На пике потенциала действия проводимость мембраны для ионов натрия (gNa+) начинает быстро снижаться. Этот процесс называется инактивацией. Скорость и степень натриевой инактивации зависят от величины мембранного потенциала, т. е. они потенциалзависимы. При постепенном уменьшении мембранного потенциала до —50 мВ (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. После достижения пика потенциала действия происходит реполяризациа, т. е. мембранный потенциал возвращается к контрольному значению в покое. Рассмотрим эти процессы подробнее. Развитие потенциала действия и перезарядка мембраны приводят к тому, что внутриклеточный потенциал становится еще более положительным, чем равновесный калиевый потенциал, и, следовательно, электрические силы, перемещающие ионы калия через мембрану, увеличиваются. Максимума эти силы достигают во время пика потенциала действия.

Инактивация натриевой системы в процессе генерации потенциала действия приводит к тому, что клетка в этот период не может быть повторно возбуждена, т. е. наблюдается состояние абсолютной рефрактерности.

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.

Н. Е. Введенский ввел понятие лабильности, или функциональной подвижности, возбудимых тканей. Мерой лабильности является количество потенциалов действия, которое способна генерировать возбудимая ткань в единицу времени. Наиболее лабильными являются волокна слухового нерва, в которых частота генерации потенциалов действия достигает 1000 Гц.

Таким образом, генерация потенциала действия в возбудимых мембранах возникает под влиянием различных факторов и сопровождается повышением проводимости клеточной мембраны для ионов натрия, входом их внутрь клетки, что приводит к деполяризации клеточной мембраны и появлению локального ответа. Этот процесс может достигнуть критического уровня деполяризации, после чего проводимость мембраны для натрия увеличивается до максимума, мембранный потенциал при этом приближается к натриевому равновесному потенциалу. Через несколько миллисекунд происходит инактивация натриевых каналов, активация калиевых каналов, увеличение выходящего калиевого тока, что приводит к реполяризации и восстановлению исходного потенциала покоя.

 

21. Восходящая и нисходящая  фазы потенциала действия. Реверсии  мембранного потенциала.

 

Пик потенциала действия состоит из следующих фаз: 
Фаза деполяризации(восходящая) возникает в результате лавинообразного движения Nа+ внутрь клетки. Этому способствуют две причины: открываются потенциалзависимые Nа+-каналы. В этом случае происходит деполяризация по типу процесса с положительной обратной связью (самоподкрепляющийся процесс). 
Освобождение натриевых каналов от Са2+. 
Заряд клеточной мембраны сначала снижается до 0 (это собственно деполяризация), а затем меняется на противоположный (инверсия или овершут). Для характеристики фазы деполяризации вводится понятие реверсии - это та разность потенциалов, на которую потенциал действия превышает потенциал покоя. 
Р=(потенциал действия) - (мембранный потенциал) 20-30 = 50-60 мВ. 
Р (реверсия) - это то количество мВ на которое произошла перезарядка мембраны. Фаза деполяризации продолжается до достижения электрохимического равновесия по Nа+. Затем наступает следующая фаза. Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя. Она зависит от концентрации Nа+ (как снаружи, так и внутри клетки), от количества натриевых каналов, особенностей натриевой проницаемости. 
Фаза реполяризации(нисходящая) характеризуется:

снижением проницаемости клеточной мембраны для Nа+ (Nа-инактивация). Натрий накапливается на наружной поверхности клеточной мембраны;

возрастает проницаемость мембраны для К+, в результате повышается выход К+ из клетки с увеличением положительного заряда на мембране;

изменение активности Nа+-К+ насоса.

Реполяризация - это процесс восстановления заряда мембраны. Но полного восстановления нет, т. к. возникают следовые потенциалы.

 

Фаза деполяризации. Во время этой фазы МП быстро уменьшается и достигает нулевого уровня. Уровень деполяризации растет выше 0. Поэтому мембрана приобретает противоположный заряд – внутри она становится положительной, а снаружи отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала. Продолжительность этой фазы у нервных и мышечных клеток 1-2 мсек.

3.Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП (примерно +20 мВ). Мембранный потенциал начинает быстро возвращаться к потенциалу покоя. Длительность фазы 3-5 мсек.

 

22. Следовые потенциалы. Следовая деполяризация и гиперполяризация.

 

Последний участок фазы реполяризации, для некоторых видов потенциалов действия бывает замедленным;  например в нейронах спинного мозга, кривая деполяризации быстро пересекает уровень потенциала покоя, так что на некоторое время потенциал становится более отрицательным, чем потенциал покоя. Это явление получило название гиперполяризационный следовой потенциал.

Следовые потенциалы делятся на:

Отрицательный следовой потенциал - замедление реполяризации клеточной мембраны. Это результат проникновения внутрь клетки какого-то количества Nа+, таким образом, отрицательный следовой потенциал - это следовая деполяризация.

Положительный следовой потенциал - увеличение разности потенциалов. Это результат повышенного выхода ионов К+ из клетки. Положительный следовой потенциал - это следовая гиперполяризация. Как только калиевая проницаемость возвращается к исходному уровню - регистрируется мембранный потенциал.

 

Следовой потенциал – медленное изменение мембранного потенциала относительно исходного потенциала покоя, происходящее после окончания потенциала действия и обусловленное восстановительными процессами в возбудимых образованиях.

Следовой потенциал отрицательный (син. деполяризация следовая) — СП. в форме понижения мембранного потенциала относительно уровня потенциала покоя.

Следовой потенциал положительный (син. гиперполяризация следовая) — СП. в форме повышения мембранного потенциала относительно уровня потенциала покоя.

Деполяризация – снижение эл разности потенциала между внешней и внутренней сторонами мембраны по отношению уровня ПП. На клеточном уровне возбуждение связано с деполяризацией клеточной мембраны. Наивысший – ПД, а все остальные – локальные потенциалы.

Гиперполяризация – увеличение эл разности потенциала между внешней и внутренней сторонами мембраны по отношению уровня ПП. На клеточном уровне торможение связано с гиперполяризацией.

 

23. Ионные каналы. Воротный  механизм ионного канала.

 

Ионные каналы (ИК) - это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).

Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм, обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмной клетки и наружной средой.

Упрощённое определение:

Ионные каналы - это поры (дырочки) в клеточной липидной мембране, которые "обшиты" по краям белковой нитью, чтобы дырочки не затянулись. Эти поры могут становиться пошире или поуже: либо сами по себе, либо при определённых воздействиях. Каналы могут иметь разное строение, поэтому разные виды каналов имеют разнуюпроницаемость, избирательность и управляемость.

Итак, ионный канал - это интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K+, Na+, H+, Ca2+, Cl-, а также водой, и способный изменять свою проницаемость.

Воротный механизм белковых каналов обеспечивает способ регуляции ионной проницаемости каналов. Полагают, что некоторые ворота фактически являются удлинением транспортной белковой молекулы, которое может закрывать или открывать отверстие канала при конформационном изменении формы самой белковой молекулы. Открытие и закрытие ворот регулируется двумя основными способами.

1)Электроуправляемые ворота. В этом случае молекулярная конформация ворот или их химических связей соответствует электрическому потенциалу на клеточной мембране. Напротив, когда внутренняя сторона мембраны теряет отрицательный заряд, эти ворота могут внезапно открываться, позволяя громадному числу ионов натрия проходить через натриевые поры. Это основной механизм генерации в нервах потенциалов действия, ответственных за проведение нервных сигналов. Открытие этих ворот частично обусловливает завершение потенциала действия.

2)Хемоуправляемые (лигандуправляемые) ворота. Некоторые ворота белковых каналов открываются при связывании с белком химического вещества лиганда. Это ведет к конформационному или химическому изменению в белковой молекуле, что открывает или закрывает ворота. Такой воротный механизм называют химическим, или лигандным. Одним из наиболее важных примеров химического воротного механизма является действие ацетилхолина на так называемый ацетилхолиновый канал. Ацетилхолин открывает ворота этого канала, в результате появляется отрицательно заряженная пора диаметром около 0,65 нм, через которую могут проходить незаряженные молекулы или положительные ионы меньшего диаметра.

Эти ворота исключительно важны для передачи нервных сигналов от одной нервной клетки к другой и от нервных клеток к мышечным, что необходимо для мышечного сокращения.

Открытое и закрытое состояние воротных каналов. Примечательно, что канал проводит ток по принципу «все или ничего». Это значит, что ворота канала резко открываются и затем также резко закрываются, причем в открытом состоянии канал находится от долей миллисекунды до нескольких миллисекунд. При одном уровне потенциала канал может оставаться практически все время закрытым, а при другом уровне — почти все время открытым. Как показано при промежуточных уровнях мембранного потенциала ворота натриевого канала имеют склонность периодически быстро открываться и закрываться, обеспечивая среднее значение тока.

 

24. Роль АТФ как универсального  источника энергии в жизнедеятельности  нервной клетки.