Физиология возбудимых клеток. Мембранный потенциал

Типы возбудимых клеток
Нейроны
Мышечные клетки
Секреторные клетки
Рецепторные клетки

Строение животной клетки

Особенности строения нейрона

Виды нейронов
А — веретенообразный (кишечнополостные);
Б — псевдоуниполярный (сенсорный нейрон позвоночных);
В — мультиполярный (позвоночные);
Г — типичный нейрон центральной нервной системы
беспозвоночных
Срез
нервного волокна

Формирование трансмембранного потенциала
А. в чашке Петри
KCl
K+
Cl-
Градиент концентрации
Градиент заряда
равновесие

Рассчет заряда на мембране
Равновесный потенциал для какого-либо иона Х можно рассчитать из уравнения, полученного в 1888 году немецким физическим химиком Walter Nernst на основании принципов термодинамики.
Где
R – газовая постоянная,
Т – температура (по Кельвину),
z – валентность иона,
F – константа Фарадея,
[Х]о и [Х]i – концентрации ионов по разные стороны мембраны.
Уравнение Нернста можно использовать для расчета равновесного потенциала любого иона по обе стороны мембраны, проницаемой для данного иона.
Ек=-85 мв при К+ соотношении 1\30

Б. мицелла – синтетический прообраз клетки

Мембрана живой клетки
К+
Na+
Са++

Равновесные потенциалы(Е) Движущая сила (V- Е)
Cl-
-89 - 47
Cl-каналы

Мембрана
живой клетки полупроницаема
-61
К+
Na+
= 0,023 рК
Са++
рСа++ = 0
Cl-

Проницаемость обеспечена ионные каналами мембраны
1-1000 каналов на квадратный микрометр мембраны
Центральная водная пора
Устья канала: селективный фильтр
Ворота: проницаемость может меняться!

Создание градиента концентрации:
1. Na-K АТФ-аза
2. ионные обменники
Транспорт 3 Na/2K за счет энергии 1 АТФ (расход до 1/2 энергии нейрона)
а.Симпорт
б.Антипорт

Изменения мембранного потенциала покоя
1. Деполяризация- уменьшение
(ее скорость определяется постоянной времени (τm=RmCm))
2. Гиперполяризация- увеличение
3. Реполяризация- возвращение к
исходному уровню
0
МПП
Время
-30
-60
-90
Деполяризация
Реполяризация
Гиперполяризация
1
2

Внутриклеточная регистрация мембранного потенциала покоя
Внутриклеточная микроэлектродная регистрация
Величина МПП в возбудимых клетках –
от -60 до -90мВ
А
Б
0
-30
-60
Введение электрода
Мембранный потенциал покоя
Время
А
Б

Потенциал действия
Фаза
деполяризации
Фаза
реполяризации
Раздражающий
импульс

Временной ход ионных токов во время
потенциала действия

Фармакологическое разделение ионных токов ядами
контроль
Калиевый ток
Натриевый ток
Выводы
Входящий ток переносится ионами натрия, а выходящий – ионами калия.
Натриевый ток развивается быстро, а калиевый – медленно.
Натриевый ток быстро уменьшается (инактивация), а калиевый - нет

Фазы потенциала действия
1- порог (около 50 мв, ток Na>K)
2- деполяризация 0,5 мс (вход Na)
3- овершут (перелет)
4- реполяризация 0,5- 1мс (блок Na, активация К токов)
5-следовая гиперполяризация, до 3 мс (ток К)
3-5 - период рефрактерности (блок Na, активация К токов)
Амплитуда ПД нейрона – около 110 мв
1
2
3
4
5

Вызывается сверхпороговым раздражением
Амплитуда не зависит от силы раздражения
Распространяется по всей мембране не затухая
Связан с увеличением ионной проницаемости мембраны (открытием ионных каналов)
Не суммируется
Свойства
потенциала действия

Исследование отдельного канала
Возможность исследовать отдельный канал
Возможность менять потенциал на мембране
Возможность менять ионный состав и добавлять любые исследуемые вещества с обоих сторон мембраны
Метод локальной фиксации потенциала «пэтч-кламп»

Нобелевская премия 1991 года в области физиологии и медицины
Эрвин Нейер и Берт Сакманн
«за открытия в области работы
одиночных ионных каналов»

Канал имеет воротный механизм
1- покой
2-деполяризация
3-рефрактерность
Динамика открытия ворот
1
2
3
За один ПД входит в клетку 1012 ионов Na+
(рост внутриклеточной концентрации 0,7%)

Молекулярные механизмы активации и инактивации
у большинства каналов
общие
H
M

Работа Na+ канала

Белковая структура канала:
4 домена из 6 сегментов каждый
Структура Cl- канала (консервативны!)
S4-воротный механизм, S5 и S6 – пора, между 3 и 4 доменом – «шар на цепи»

Рефрактерность -
снижение способности клетки отвечать на раздражение в результате временной инактивации натриевых каналов
Абсолютная
рефрактерность
Относительная
рефрактерность
Абсолютная рефрактерность
Генерация ПД невозможна
Вызвана инактивацией
большинства Na каналов
Относительная рефрактерность
Генерация ПД возможна при
увеличении интенсивности
раздражителя
Связана с тем, что:
1. Некоторая часть Na+ каналов все еще
инактивирована
2. С усилением тока К+

Распространение потенциала действия по волокну
Увеличение диаметра волокна повышает скорость проведения:
Постоянная длины волокна (от 0,1 до 1 см):
ток
Rm
Ri
λ =1/2 √(d*Rm/Ri)

Миелинизированные волокна
Эстафетный (до 40 м/с) и сальтаторный
(до 120м/с)
механизмы распространения возбуждения

Скорость проведения ПД по разным типам волокон

Виды регистрации ПД
Внутриклеточная монополярная
Внеклеточная биполярная