физиология нервной системы

1. Электрогенез клетки. Мембранный потенциал

Схема строения клеточной мембраны
Мембрана – крепостная стена и одновременно ворота для входа в клетку и выхода из нее
Ее основа – бислой фосфолипидных молекул с включениями молекул холестерина
Фосфолипид –производное трехосновного спирта глицерина, образующего эфирные связи с двумя жирными кислотами и через фосфорную кислоту с азотистым основанием

Два основных пути ионов через мембрану клетки
Облегченная диффузия
Активный транспорт

Схема опыта по измерению мембранного потенциала клетки
K+= 140 mM
K+= 4 mM
Уравнение Нернста

Органические 15 11 137
анионы
Концентрация ионов в цитозоле и внеклеточной среде (в мМ/л)

Na-K транспортер – (Na-K-АТФаза) восстанавливает ионный градиент между клеткой и окружающей средой
Реально из клетки выходит очень мало ионов калия, тем не менее их потерю надо восполнять – эта роль отведена Na/K-АТФазе.
Энергия, освобождаемая при гидролизе АТФ, обеспечивает перенос ионов Na+ и К+

Ионные потоки через мембрану клетки
Снаружи
Внутри
Мало калия
Много натрия
Много калия
Мало натрия
Высокая калиевая проницаемость
Низкая натриевая проницаемость
Активный транспорт калия внутрь и натрия наружу

нейроны -50 mV to -80 mV
фоторецепторы -40 mV
поперечнополосатая
мышца -90 mV
эритроциты -60 mV
гепатоциты -35 mV
водоросли -150 mV
листья -100 mV
Величины мембранного потенциала в разных клетках

2. Электрические сигналы, возникающие в нервной клетке (локальный потенциал и потенциал действия)

Типы локальных потенциалов
Локальные потенциалы градуальны:
1 и 2 гиперполяризующие (тормозящие)
3 деполяризующий (возбуждающий)
Потенциал действия имеет
стандартную амплитуду:
4 если амплитуда возбуждающего потенциала достигает уровня порога (порогового потенциала), возникает потенциал действия

Пассивное распространение электротонического потенциала вдоль нервного проводника (с декрементом, т.е. затуханием)
Большинство нервных сигналов локальны, т.е. эффективны только вблизи места их генерации
Локальные потенциалы

Если локальный деполяризующий стимул достиг уровня порога, то появляются условия для генерации потенциала действия
Порог
Пот. покоя
Пот. действия

Hodgkin & Huxley, 1939 Action potential measured at a point
Потенциал действия
Обладает относительно постоянной амплитудой, подчиняется закону «все или ничего», воспроизводится по мере распространения
по нерву.
Поэтому нервный импульс может передаваться на большие расстояния
Потенциал покоя (мВ)

Начальный этап генерации потенциала действия
Все начинается с появления локального потенциала. Если его амплитуда достигает определенного уровня (порогового), происходит переход к следующему этапу …
Локальный потенциал
Порог

Локальный потенциал активирует сначала небольшое число самых чувствительных Na-каналов, но входящий через них Na+ дополнительно деполяризует мембрану, что при достижении порога вызывает лавинообразное открытие большинства Na-каналов и тем самым глубокую деполяризацию мембраны
Порог генерации потенциала действия

Когда большинство натриевых каналов открыты – потенциал на мембране во время пика достигает уровень натриевого равновесного потенциала ЕNa
При этом разность потенциалов на мембране начинает превышать исходный (в покое). Происходит на короткое время смена знака зарядов на поверхности мембраны - овершут
Пик потенциала действия (ПД)
овершут

Натриевые каналы могут находиться в открытом состоянии в течение короткого периода – происходит их инактивация
По мере достижения максимума входящего тока натриевые каналы начинают закрываться. Происходит переход к следующей фазе – спаду потенциала действия
Начало спада потенциала действия
инактивация
активация
Na+
Na+

Уже в фазу роста ПД по мере быстро нарастающего натриевого тока начинают медленно открываться калиевые каналы, что ускоряет спад входящего тока через мембрану
Na+
K+

Ток через открытые калиевые каналы сдвигает мембранный потенциал к уровню калиевого равновесного потенциала
(следовая гиперполяризация)
Na+
K+

Конечный этап генерации потенциала действия
Часть калиевых каналов закрывается и мембранный потенциал медленно возвращается к исходному уровню покоя

Потенциал действия – результат суммирования разнонаправленных (натриевый ток внутрь, калиевый ток наружу) и сдвинутых по временной шкале ионных токов через соответствующие потенциалзависимые натриевые и калиевые каналы.

Последовательность открывания-закрывания натриевых и калиевых каналов во время генерации потенциала действия

Различия в кинетике процессов активации и инактивации натриевых и калиевых каналов предопределяют феномен существование рефрактерных периодов
абсолютный
относительный
Рефрактерные периоды ограничивают максимальную частоту следования потенциалов действия

Перерыв

3. Проведение нервного импульса по аксонам нейрона

Структура нейрона

До этого охлажденного места доходит постоянный по амплитуде потенциал действия
А дальше он преформируется в локальный потенциал (с декрементом!)
Блокирование распространения потенциала действия охлаждением участка нерва

Потенциал действия будет распространяться по нерву быстро и без потерь на значительные расстояния, если
Нерв имеет достаточно большой диаметр
Нерв окутан изоляцией (оболочкой из миелина)
1 –2 мк
100-200 мк
Милиенизированный двигательный нерв позвоночных

Миелинизированный (мякотный) нерв

Стимул
Миелиновая оболочка
Аксон
Проведение локального потенциала под оболочкой (декремент)
Генерация потенциала действия (ПД) в перехвате Ранвье
Сальтаторное проведение по нерву
ПД
ПД

4. Ионные каналы – молекулярная основа
генерации клеточных сигналов

Ионные каналы и другие интегральные белки в фосфолипидной мембране
Общая схема строения ионного канала

Ацетилхолиновый рецептор в липидном бислое мембраны

Субъединичное строение ацетилхолинового рецептора

Потенциалозависимые
Закрытый Открытый
Механочувствительные
Лигандуправляемые
Снаружи
Изнутри
Основные типы ионных каналов

Регистрация одиночных ионных каналов
(patch clamp)

Регистрация одиночных ионных каналов (patch clamp)

Примеры одиночных ионных каналов, зарегистрированных методом пэтч-клемп
Глутаматный рецептор
Ацетилхолиновый рецептор
Глициновый рецептор

Инъекция мРНК, выделяемой из мозговой ткани в ооциты лягушки Xenopus и регистрация ответов экспрессированных рецепторов

Клонирование генов определенных каналов и рецепторов, создание библиотек генов и последующее их использование

Субъединица калиевого канала похожа на домен натриевого канала
Трехмерная структура калиевого канала
Структура потенциалзависимого калиевого канала

Селективный фильтр
Na+ канала
Узкий участок водной поры
канала, определяющий тип
иона, способного пройти через канал, когда он открыт.
Здесь же ион натрия
теряет свою водную «шубу».

Поперечный срез трехмерной структуры калиевого канала

K+ канал в мембране бактерии (структура по данным кристаллографии)
Doyle et al, 1998

AMPA рецептор
Молекулярные модели селективных фильтров открытых каналов глутматных рецепторов NMDA и AMPA типов
NMDA рецептор

Токсины, действующие на Na+ канал
Рыба кузовок содержит tetrodotoxin, сильнейший яд.
Batrachotoxin содержится в коже колумбийских лягушек. Яд в 250 раз сильнее стрихнина.

Химические структуры веществ, блокирующих натриевые (TTX, procaine) и калиевые (ТЕА) каналы возбудимой мембраны.
С их помощью удается разделить натриевые и калиевые токи, порождающие потенциал действия

Разделение натриевых и калиевых токов, лежащих в основе потенциала действия
Суммарный ток
Натриевые каналы заблокированы, регистрируется медленный, выходящий калиевый ток
Калиевые каналы заблокированы, регистрируется быстрый входящий натриевый ток

Сравнение локального потенциала и потенциала действия

Вопросы?