Строение и функции клеточных мембран.

Строение и функции клеточных мембран.

55-60% - белки, 35-40% - липиды, 5-10% - углеводы

В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная С. Сингером и Г. Николсоном в 1972 г. Основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов (бислой), гидрофобные фрагменты молекулы которого погружены в толщу мембраны, а полярные гидрофильные группы ориентированы наружу, т.е. в окружающую водную среду (рис. 2).

Мембранные белки локализованы на поверхности мембраны или могут быть внедрены на различную глубину в гидрофобную зону. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, и различные гидрофильные группы одного и того же белка обнаруживаются по обе стороны клеточной мембраны. Белки, обнаруженные в плазматической мембране, играют очень важную роль: они участвуют в образовании ионных каналов, играют роль мембранных насосов и переносчиков различных веществ, а также могут выполнять рецепторную функцию.

Основные функции клеточной мембраны: барьерная, транспортная, регуляторная, каталитическая.

Барьерная функция проявляется в ограничении проникновения через мембрану растворенных в воде соединений. Мембрана непроницаема для крупных белковых молекул и органических анионов.

Регуляторная функция мембраны состоит в регуляции внутриклеточного метаболизма в ответ на химические, биологические и механические воздействия. Различные воздействия воспринимаются специальными мембранными рецепторами с последующим изменением активности ферментов.

Транспортная функция через биологические мембраны может осуществляться пассивно (диффузия, фильтрация, осмос) или с помощью активного транспорта.

Строение, свойства и функции ионных каналов клеточной мембраны.

Ионные каналы - особые образования в мембране клетки, представляющие собой олигомерные (состоящие из нескольких субъединиц) белки. Центральным образованием канала является молекула белка, которая пронизывает мембрану таким образом, что в ее гидрофильном центре формируется канал-пора, через которую в клетку способны проникать соединения, диаметр которых не превышает диаметра поры (обычно- это ионы).

Вокруг главной субъединицы канала располагается система из нескольких субъединиц, которые формируют участки для взаимодействия с мембранными регуляторными белками, различными медиаторами, а также фармакологически активными веществами.

Свойства ИК

Селективность - это избирательная повышенная проницаемость ИК для определённых ионов. Для других ионов проницаемость понижена. Такая избирательность определяется селективным фильтром - самым узким местом канальной поры. Фильтр, кроме узких размеров, может иметь также локальный электрический заряд. Например, катион-селективные каналы обычно имеют в области своего селективного фильтра отрицательно заряженные остатки аминокислот в составе белковой молекулы, которые притягивают положительные катионы и отталкивают отрицательные анионы, не пропуская их через пору.

Управляемая проницаемость - это способность ИК открываться или закрываться при определённых управляющих воздействиях на канал. Понятно, что закрытый канал имеет пониженную проницаемость, а открытый - повышенную. По этому свойству ИК можно классифицировать в зависимости от способов их открытия: например, потенциал-активируемые, лиганд-активируемые и т.д.

Инактивация - это способность ИК через некоторое время после своего открытия автоматически понижать свою проницаемость даже в том случае, когда открывший их активирующий фактор продолжает действовать.

Блокировка - это способность ИК под действием веществ-блокаторов фиксировать какое-то одно своё состояние и не реагировать на обычные управляющие воздействия. В таком состоянии канал просто перестаёт давать ответы на управляющие воздействия. Блокировку вызывают вещества-блокаторы, которые могут называться антагонистами, блокаторами или литиками.

Функции ИК

Главная функция ИК - обеспечивать управляемое перемещение ионов через мембрану.

В зависимости от проходящих через них ионов ИК подразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные, протонные (водородные).

Функции ИК:

1. Регуляция водного обмена клетки: объём и тургор.

2. Регуляция pH: закисление и защелачивание.

3. Регуляция ионного обмена (обмен солей): изменение внутриклеточного ионного состава и концентрации.

4. Создание и изменение мембранных потенциалов: потенциал покоя; в возбудимых клетках - локальные потенциалы, потенциал действия.

5. Проведение возбуждения в возбудимых клетках: обеспечение движения нервных импульсов.

6. Трансдукция в сенсорных рецепторах: преобразование раздражения (стимула) в возбуждение.

7. Управление активностью клетки: за счёт обеспечения потоков вторичного мессенджера - Са²⁺.

 

По физиологической роли:

- возбуждающие

- тормозные

Классификация синапсов.

Классификации:

По локализации:

- центральные синапсы;

- периферические синапсы.

По типу соединения с нейроном:

- аксосоматический, образованный аксоном одного нейрона и телом другого нейрона;

- аксодендритный, образованный аксоном одного нейрона и дендритом другого;

- аксоаксональный (аксон первого нейрона образует синапс на аксоне второго нейрона);

- дендродентритный (дендрит первого нейрона образует синапс на дендрите второго нейрона).

По функции:

- возбуждающие синапсы;

- тормозящие синапсы.

По механизму передачи возбуждения:

- химические;

- электрические.

По нейромедиатору (для химических):

- холинэргические (передача возбуждения при помощи ацетилхолина);

- адренэргические. (передача возбуждения при помощи трех катехоламинов);

- дофаминэргические (передача возбуждения при помощи дофамина);

- гистаминэргические (передача возбуждения при помощи гистамина);

- ГАМК-эргические (передача возбуждения при помощи гаммааминомасляной кислоты, т. е. развивается процесс торможения).

По строению и локализации (для периферических синапсов):

- мионевральный (нервно-мышечный), образованный аксоном мотонейрона и мышечной клеткой;

- нервно-эпителиальный, образованный аксоном нейрона и секреторной клеткой.

Иррадиация возбуждения

Иррадиация: при возбуждении нервного центра нервные импульсы распространяются на соседние центры и приводят их в деятельное состояние. Это явление получило название иррадиации. Степень иррадиации зависит от количества вставочных нейронов, степени их миелинизации, силы раздражителя. Со временем в результате афферентной стимуляции только одного нервного центра зона иррадиации уменьшается, происходит переход к процессу концентрации, т.е. ограничению возбуждения только в одном нервном центре.

Тонус

Тонус нервного центра — состояние некоторого уровня актив­ности нейронов, обеспечивающей их готовность к рефлекторной деятельности и проявляющейся в постоянной эфферентной импульсации низкой частоты к органам-эффекторам. Тонус нервных цент­ров обусловлен небольшим уровнем афферентных сигналов от раз­личных рецептивных полей (т.е. имеет рефлекторную природу), а также действием на нейроны метаболитов и других гуморальных раздражителей из клеточной микросреды. Проявлением тонуса нерв­ных центров является спонтанная электрическая активность нейро­нов и некоторая фоновая активность эффекторов, например, тонус скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и т.п.

Утомляемость

Утомляемость нервного центра: нервный центр обладает малой лабильностью. Он постоянно получает от множества высоколабильных нервных волокон большое количество стимулов, превышающих его лабильность. Поэтому нервный центр работает с максимальной загрузкой и легко утомляется.

Исходя из синаптических механизмов передачи возбуждения утомление в нервных центрах может объясняться тем, что по мере работы нейрона истощаются запасы медиатора и становится невозможной передача импульсов в синапсах. Кроме того, в процессе деятельности нейрона наступает постепенное снижение чувствительности его рецепторов к медиатору, что называется десенситизацией;

 

Пластичность

Пластичность нервных центров - это их способность изменять функциональные свойства. При этом центр приобретает возможность выполнять новые функции или восстанавливать старые после повреждения. В основе пластичности НЦ лежит пластичность синапсов и мембран нейронов, которые могут изменять свою молекулярную структуру.

Конвергенция возбуждений

Схождение различных путей проведения нервных импульсов к одному и тому же нейрону получило название конвергенции. Простейшим примером конвергенции является замыкание на одном двигательном нейроне импульсов от нескольких афферентных (чувствительных) нейронов. В ЦНС большинство нейронов получают информацию от разных источников благодаря конвергенции. Это обеспечивает пространственную суммацию импульсов и усиление конечного эффекта.

Окклюзия возбуждений

Окклюзия – явление, при котором рефлекторная реакция на два или более сверхпороговых раздражителя меньше, чем ответы на их раздельное воздействие. Оно связано с конвергенцией нескольких возбуждающих импульсов на одном нейроне.

Реципрокная иннервация

Реципрокная иннервация – это явление торможения одного центра в результате возбуждения другого. Т.е. в этом случае тормозится антагонистический центр. Например, при возбуждении центров сгибания левой ноги, по реципрокному механизму тормозятся центры мышц разгибателей этой же ноги и центры сгибателей правой. В реципрокных взаимоотношениях находятся центры вдоха и выдоха продолговатого мозга, центры сна и бодрствования и т.д.

Доминанта

Доминанта – это преобладающий очаг возбуждения в ЦНС, подчиняющий себе другие НЦ. Доминантный центр обеспечивает комплекс рефлексов, которые необходимы в данный момент для достижения определенной цели. При некоторых условиях возникают питьевая, пищевая, оборонительная, половая и др. доминанты. Свойствами доминантного очага являются повышенная возбудимость, стойкость возбуждения, высокая способность к суммации, инертность. Эти свойства обусловлены явлениями облегчения, иррадиации, с одновременным повышением активности вставочных тормозных нейронов, которые тормозят нейроны других центров.

                                      

 

                                  Задачи

1. Тетродотоксин – сильный небелковый яд естественного происхождения. Известно, что тетродотоксин оказывает свое нейропаралитическое действие, блокируя натриевые каналы мембраны возбудимых клеток.

Как при этом изменится распределение ионов по обе стороны клеточной мембраны? Как изменятся при этом потенциал покоя и потенциал действия нервных клеток?

1)Концентрация ионов натрия в клетке повысится, концентрация ионов калия в клетке понизится

2) Потенциал покоя создаётся преимущественно за счёт выхода ионов калия по концентрационному градиенту из клетки. При этом натриевые каналы частично открыты, и некоторое количество ионов натрия проходит в клетку, уменьшая потенциал покоя. Следовательно, блокада натриевых каналов тетродоксином приведёт к небольшому увеличению потенциала покоя.

3) Поскольку для генерации потенциала действия необходим отток ионов Na из клетки, блокада натриевых каналов сделает невозможным возникновение ПД.

 

2. В медицинской практике с целью прогревания конечностей при их отморожении действуют токами ультравысокой частоты (УВЧ). Однако, как известно, при этом не наблюдается сокращений мышц.  

Почему в этом случае наблюдается только эффект прогревания тканей, но нет мышечных сокращений? 

Частота смены направления тока УВЧ слишком высока, длительность его воздействия в одном направлении меньше полезного времени, то есть ток меняет свое направление до того, как клетка успеет возбудится. Эффект прогревания ткани объясняется колебаниями заряженных частиц, вызываемыми переменным током.

 

3. В экспериментальной и клинической нейрофизиологии с целью воздействия на функциональное состояние структур нервной системы применяют воздействие постоянным током. 

Какие изменения возбудимости нервных структур будут      развиваться при этом под анодом и катодом? Как они будут меняться в зависимости от продолжительности действия током?

1)Поскольку катод заряжен отрицательно, то он уменьшает положительный заряд наружной мембраны, т.е. деполяризует ее, то есть при кратковременном воздействии постоянным током возбудимость нервных структур под катодом возрастает.

2)При длительной деполяризации возбудимость мембраны под катодом уменьшается. Этот экспериментальный факт, открыт русским физиологом Вериго, называют катодичной депрессией. Причиной катодичной депрессии является повышение критического уровня деполяризации, связано это с инактивацией натриевых каналов.

 

3)Поскольку анод заряжен положительно, то он увеличивает положительный заряд наружной мембраны, т.е. гиперполяризует ее, то есть при кратковременном воздействии постоянным током возбудимость нервных структур под анодом снижается.

4)Под анодом возбудимость ткани сначала снижается, а затем начинает постепенно восстанавливаться и приближаться к исходной величине.

 

4. К нервному волокну подсоединили раздражающие и регистрирующие электроды, расстояние между которыми составило 28 см. При раздражении нервного волокна током пороговой величины, потенциал действия под регистрирующими электродами возник через 0,04 с.

Рассчитайте скорость распространения возбуждения по нервному волокну. К какому функциональному типу нервных волокон оно относится?

 

0,28м: 0,04с = 7 м/с - волокно типа В - миелиновое преганглионарное волокно вегетативной нервной системы

 

5. В хирургии и стоматологии с целью обезболивания пациента при проведении соответствующих манипуляций применяют нервно-проводниковую блокаду с помощью местных анестетиков (новокаина и т.п.).

Какова причина прекращения проведения возбуждения по нерву вследствие применения местных анестетиков? Какое явление развивается при этом в нервном волокне? Назовите его фазы. 

Инактивируются Na⁺-каналы – нарушается физиологическая целостность нервного волокна, что приводит к прекращению его нормального функционирования. Развивается парабиоз, его фазы:

1) уравнительная

2) парадоксальная

3) тормозная

 

6. Локальное раздражение двигательных точек мышц ладонной поверхности предплечья у человека вызывает сгибание только какого-то одного пальца кисти руки.

Почему не сгибаются соседние пальцы? Какой закон проведения возбуждения по нервному волокну обеспечивает это явление?

Согласно закону изолированного проведения возбуждения ПД, идущий по волокну, не передается на соседние волокна, входящие в состав одного нервного ствола. Это обусловлено наличием миелиновых оболочек, окружающих нервные волокна, и сопротивлением межклеточной жидкости.

 

7. Известно, что после наступления летального исхода в скелетных мышцах развивается трупное окоченение с их выраженной ригидностью.

Каков механизм развития этого явления?

После смерти некоторое время мышцы мягкие из-за прекращения тонического влияния мотонейронов, затем снижается концентрация АТФ, необходимая для разъединения головок миозина от актинового филамента, поэтому и возникает мышечная ригидность.

 

8. В эксперименте у лягушки при раздражении кожи лапки развивался сгибательный рефлекс. После введения 0,1 мл стрихнина в спинальный лимфатический мешок у лягушки в ответ на раздражение возникал судорожный ответ всех мышц туловища и конечностей.

Нарушение какого процесса в нервных центрах явилось причиной развития судорог? Опишите его механизм.

Стрихнин блокирует рецепторы в синапсе, в результате чего медиатор, попав в синаптическую щель, не находит свой рецептор, что приводит к дивергенции (способность нейрона устанавливать многочисленные синаптические связи с другими нейронами благодаря чему одна и та же клетка может участвовать в различных нервных процессах).

 

9. В клинической практике при проведении операции на органах грудной полости пациентам проводят миорелаксацию дыхательных мышц с помощью курареподобных веществ, переводя пациента на искусственную вентиляцию легких.

Каков механизм развития миорелаксации дыхательных мышц под влиянием курареподобных веществ?

Курареподобные вещества блокируют нервно-мышечные синапсы, воздействуя на Н-холинорецепторы скелетных мышц и препятствуюх их возбуждению ацетилхолином (АХ). В связи с этим АХ не вызывает деполяризации мышечного волокна и происходит расслабление мышц.

 

10. Одним из заболеваний, встречающихся в практике врача-невролога, является миастения, при которой наблюдаются мышечная слабость и утомляемость даже при обычной мышечной работе.

Исходя из представления о процессах нервно-мышечного проведения возбуждения, назовите возможные причины развития указанных симптомов и укажите направленность действия препаратов, используемых для их устранения.

1.Может быть три причины:

1) недостаток ацетилхолина, который не связывается с рецепторами, быстро разрушается ацетилхолинэстеразой.

2) ацетилхолин содержится в нормальных колиечствах, но синтез ацетилхолинэстеразы увеличен, поэтому так же происходит быстрое разрушение ацетилхолина.

3) разрушение рецепторов к ацетилхолину антителами, выделяемыми организмом.

 

2.Варианты лечения:

1) антихолинэстеразные препараты (прозерин, калимин) они подавляют синтез холинэстеразы

2) препараты калия, которые будут улучшать проведение нервных импульсов в мышечных синапсах

 

Строение и функции клеточных мембран.

55-60% - белки, 35-40% - липиды, 5-10% - углеводы

В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная С. Сингером и Г. Николсоном в 1972 г. Основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов (бислой), гидрофобные фрагменты молекулы которого погружены в толщу мембраны, а полярные гидрофильные группы ориентированы наружу, т.е. в окружающую водную среду (рис. 2).

Мембранные белки локализованы на поверхности мембраны или могут быть внедрены на различную глубину в гидрофобную зону. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, и различные гидрофильные группы одного и того же белка обнаруживаются по обе стороны клеточной мембраны. Белки, обнаруженные в плазматической мембране, играют очень важную роль: они участвуют в образовании ионных каналов, играют роль мембранных насосов и переносчиков различных веществ, а также могут выполнять рецепторную функцию.

Основные функции клеточной мембраны: барьерная, транспортная, регуляторная, каталитическая.

Барьерная функция проявляется в ограничении проникновения через мембрану растворенных в воде соединений. Мембрана непроницаема для крупных белковых молекул и органических анионов.

Регуляторная функция мембраны состоит в регуляции внутриклеточного метаболизма в ответ на химические, биологические и механические воздействия. Различные воздействия воспринимаются специальными мембранными рецепторами с последующим изменением активности ферментов.

Транспортная функция через биологические мембраны может осуществляться пассивно (диффузия, фильтрация, осмос) или с помощью активного транспорта.