Шпаргалка по предмету «Физиология Центральной Нервной Системы»

 

5.  Роль мембраны в формировании  трансмембранной разности потенциалов

 

(Трансмембранная разность  потенциалов = потенциал покоя, ПП)

В мембране существуют энергозатратные потенциалнезависимые каналы, которые работают постоянно. Откачивают из нейрона ионы натрия и накачивают в цитоплазму ионы калия. Для их работы нужна дополнительная энергия, которая получается из расщепления 3-фосфата (АТФ) до 2-фосфата (АДФ). Эта система возвращает клетку к исходному уровню поляризации мембраны. Благодаря работе этих каналов (их называют еще насосными каналами или ионным насосом), постоянно потребляющих энергию, в клетке создается разность концентраций ионов: внутри клетки концентрация ионов калия примерно в 30 раз превышает их концентрацию вне клетки, тогда как концентрация ионов натрия в клетке очень небольшая -примерно в 50 раз меньше, чем снаружи клетки. Свойство мембраны постоянно поддерживать разность ионных концентраций между цитоплазмой и окружающей средой характерно не только для нервной, но и для любой клетки организма. В результате между цитоплазмой и внешней средой на мембране клетки возникает потенциал: цитоплазма клетки заряжается отрицательно на величину около 70мВ относительно внешней среды клетки. В создании этого потенциала участвуют только ионы калия, в связи, с чем этот потенциал получил название «калиевый потенциал покоя», или просто «потенциал покоя». ПП ~ +50-60 мВ

 

6.  Механизм транспорта ионов через клеточную мембрану

 

В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы. То есть, существует 2 принципиальных типа транспорта ионов через мембрану: пассивный и активный.

Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты

Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+ ), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++ ), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl – ).

В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:  
•  концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);  
•     концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.

Механизм работы натрий-калиевого насоса. НКН за один цикл переносит 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку. Это происходит из-за того, что молекула интегрального белка может находиться в 2 положениях. Молекула белка, образующая канал, имеет активный участок, который связывает либо Na+, либо K+. В положении (конформации) 1 она обращена внутрь клетки и может присоединять Na+. Активируется фермент АТФаза, расщипляющая АТФ до АДФ. Вследствие этого молекула превращается в конформацию 2. В положении 2 она обращена вне клетки и может присоединять K+. Затем конформация вновь меняет и цикл повторяется.

Ионные каналы

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).

Неселективные каналы обладают следующими свойствами:  
•  пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;  
•  всегда находятся в открытом состоянии.

Селективные каналы обладают следующими свойствами:  
•  пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;  
•  могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.

Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.

Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.

В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня ПП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.

В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:  
•  хемочувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;  
•  потенциалчувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является снижение ПП (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации (КУД).

 

7. Механизм генерации потенциала действия

 

Нейрон в отличие от других клеток способен возбуждаться. Под возбуждением нейрона понимают генерацию нейроном потенциала действия.

При прохождении электрического тока в направлении поляризации ПП возрастает – это явление гиперполяризации. При прохождении тока в обратном направлении ПП снижается – деполяризация.

ПП можно снижать только до определённого момента. После того как ПП опускается до 0, происходит смена полярности, в клетке возникает распространяющийся электрический процесс – потенциал действия (ПД).

В мембране есть много каналов, пропускающих ионы. Существуют транспортные механизмы: комплексоны и т.д. Но есть канал, работающие против электрического градиента – энергозатратные каналы.

При определённом уровне открываются натриевые каналы – критический уровень деполяризации. Он на 10-15% ниже уровня поляризации покоя. Это потенциалзависимые каналы. Они, в отличие от калиевых каналов, открытых всегда, работают только после критического уровня деполяризации. Как только канал открывается, в цитоплазму нейрона устремляются из межклеточной среды ионы натрия, которых там примерно в 50 раз больше, чем в цитоплазме. Такое движение ионов является следствием простого физического закона: ионы движутся по концентрационному градиенту. Таким образом, в нейрон поступают ионы натрия, они заряжены положительно. Другими словами, через мембрану будет протекать входящий ток ионов натрия, который будет смещать потенциал мембраны в сторону деполяризации, т. е. уменьшать поляризацию мембраны. Чем больше ионов натрия войдет в цитоплазму нейрона, тем больше его мембрана деполяризуется. Потенциал на мембране будет увеличиваться, открывая все большее количество натриевых каналов. Внутри оказывается очень много катионов K+ и Na+. Но этот потенциал будет расти не бесконечно, а только до тех пор, пока не станет равным примерно +55 мВ. Этот потенциал соответствует присутствующим в нейроне и вне его концентрациям ионов натрия, поэтому его называют натриевым равновесным потенциалом. Вспомним, что в покое мембрана имела потенциал -70 мВ, тогда абсолютная амплитуда потенциала составит величину около 125 мВ.

После достижения натриевого равновесия натриевые каналы закрываются белковой пробкой. Это так называемая «натриевая инактивация». Мембрана становится непроницаемой для натриевых ионов. Для того чтобы потенциал мембраны вернулся к исходному состоянию-состоянию покоя, необходимо, чтобы из клетки выходил ток положительных частиц. Здесь на помощь приходят энергозатратные каналы – натриево-калиевый насос. Нужна дополнительная энергия, которая получается из расщепления 3-фосфата (АТФ) до 2-фосфата (АДФ), Эта система возвращает клетку к исходному уровню поляризации мембраны. Эти каналы работают всё время. Энергозатратные каналы – потенциалнезависимые. В результате этих процессов мембрана нейрона возвращается к состоянию покоя (-70 мВ) и нейрон готовится к следующему акту возбуждения.

Правило «всё или ничего»: как бы не воздействовать на клетку, до достижения уровня деполяризации она не сгенерирует ПД. Если клетка создаёт ПД, то только соответствующий ПП (ПД прямопропорционально зависит от ПП). Это правило работает только снаружи клетки.

Следовые процессы: через определённые время после генерации ПД что бы ни делать с клеткой, она не сможет сгенерировать новый ПД, так ещё не восстановился исходный уровень деполяризации. Это рефрактерный период.

T ПД ~ 1-2 мс

Т реф ~ 1-2 мс

Через некоторое время возникает изменённый ПД – период относительной рефрактерности. Только после восстановления ПП клетка может создать нормальный ПД. ПД не суммируются. ПД возникает в аксонном холмике – это место, где мембрана сомы переходит в аксон.

 

8.  Механизм распространения потенциала  действия по волокну

 

ПД возникает в аксонном холмике – это место, где мембрана сомы переходит в аксон. По волокну потенциал распространяется. Мембрана в месте возникновения потенциала начинает деполяризоваться и потенциал переходит на соседний участок и т.д. В нервных волокнах импульс перемещается почти без потерь, т.к. каждый ПД возникает на новом месте.

В немиелинизированном волокне принцип тот же, но электрический ток работает только на перехватах Ранвье. (сальтомоторное проведение).

 

9. Потенциал действия и его свойства

 

Свойства потенциала действия (ПД):

1. Возникает в аксонном холмике
2. Длительность ПД = 1-2 мс
3. После генерации ПД наступает период рефрактерности, равный по длительности ПД
4. Величина ПД = +50 мВ, абсолютная величина (амплитуда колебания) = 125 мВ.
5. ПД не суммируются.
6. Распространяется по нервному волокну.
7. Уровень ПД прямо пропорционален уровню ПП.
8. ПД начинает развиваться только при достижении критического уровня деполяризации и имеет постоянную величину, не зависящую от силы раздражителя. (Правило «всё или ничего»)

 

10. Правило «все или ничего»

 

ПД развивается по закону "все или ничего" - потенциал действия развивается только тогда, когда начнется лавинообразное открытие натриевых каналов, т.е. при достижении порога, и тогда уже откроются все возможные каналы. Количество натриевых каналов в клетке является постоянной величиной. Максимальная степень деполяризации на пике потенциала действия определяется количеством вошедшего натрия, т.е. числом натриевых каналов. Поэтому амплитуда потенциала действия для данной клетки - величина постоянная.

Правило «Всё или ничего»: ПД начинает развиваться только при достижении критического уровня деполяризации и имеет постоянную максимальную величину, не зависящую от силы раздражителя.

 

11. Внутриклеточные постсинаптические  потенциалы и их свойства

 

ПД, приходящий в пресинаптическое окончание, вызывает выделение медиатора в синаптическую щель. Когда медиатор достигает постсинаптического окончания, он связывается с рецепторами на постсинаптической мембране  возникает миниатюрный возбуждающий постсинаптической потенциал (ВПСП) – около 0,05 мВ. Такой местный потенциал недостаточен для изменения состояния клетки. Однако возникает сразу много ВПСП, они, в отличие от ПД, суммируются, для того чтобы был достигнут критической уровень деполяризации. Когда достигнут КУД, начинается генерация ПД. ВПСП могут суммироваться только в том случае, если они возникают одновременно, синхронно (в этом случае не успевает восстановиться ПП и деполяризация мембраны нарастает).

Иногда происходят спонтанные выбросы медиатора из пресинаптического окончания вследствие случайных столкновений везикул и мембраны. Однако ПД в этом случае не возникает из-за небольшой величины ВПСП.

Помимо процессов возбуждения на мембране могут происходить и обратные процессы торможения. Торможение в НС – это не пассивный процесс отсутствия деятельности, а активная блокирующая деятельность. В случае торможения на мембране возникают не ВПСП, а тормозные постсинаптические потенциалы, ТПСП. При возникновении ТПСП происходит гиперполяризация мембраны. ТПСП вызывает не снижение, а увеличение разности потенциалов на мембране, которое препятствует формированию ПД. На мембране образуются сходящиеся токи, то есть, гиперполяризация «стекается» к аксону со всех мест, где произошло тормозное воздействие. ТПСП возникают при поступлении в клетку анионов, которые легко проходят через каналы. Чаще всего это Cl-.

Раньше считалось, что за возникновение ВПСП и ТПСП отвечают различные медиаторы. К основным тормозным медиаторам  относят ГАМК (в корковых и подкорковых отделах) и глицин (на периферии и СМ). Однако сейчас считается, что за генерацию ВПСП либо ТПСП отвечает не собственно медиатор (ГАМК может вызывать и активирующее влияние). Медиатор, попадая на постсинаптическую мембрану, связывается с рецептором, который, в свою очередь, влияет на особый G-белок, активирующий белки ионного канала. G-белок связывается с посредником-мессенджером, который оказывает влияние на работу ионного канала. В зависимости от деятельности этого G-белка происходит открытие либо анионных, либо катионных каналов, и, соответственно, генерируется либо ВПСП, либо ТПСП.

 

Свойства ПСП:

1. Возникают только конкретно в том месте, где произошло воздействие медиатора. Обычно, это дендрит или сома.
2. Величина = 0,05 мВ
3. В отличие от ПД, суммируются.

 

12. Рефрактерность, следовые процессы  потенциала действия.

 

Невозбужденные (покоящиеся) участки мембраны волокна отрицательны внутри. Между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов и начинает протекать ток. Выходящий ток деполяризует соседний невозбужденный участок волокна. Возбуждение движется по волокну только в одном направлении и не может пойти в другую сторону, так как после возбуждения участка волокна в нем наступает рефрактерность - зона невозбудимости. В период рефрактерности происходит активная работа натриевого-калиевого насоса, который восстанавливает разность концентраций ионов K+ и Na+ снаружи и внутри клетки, характерную для покоящейся клетки, то есть ПП. Таким образом, некоторое время посоле генерации клеткой ПД, что бы не происходило с клеткой, она не сможет сгенерировать ПД – это абсолютный рефрактерный период. Он приблизительно равен длительности ПД (1-2 мс). Через некоторое время, когда разность концентраций восстановилась частично, может возникнуть изменённый ПД – это период относительной рефрактерности. Только после полного восстановления ПП клетка может сгенерировать нормальный ПД.