Электрофизиология нервной клетки

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

 

 

Автор – доцент, канд биол. наук А.М.Коробкова

Редактор – д.м.н., проф. А.Ф.Якимовский

 

Рецензент –канд. хим. наук, доцент Л.А.Меркушева

 

 

Предлагаемая работа представляет собой полностью переработанное изданное в 2000 г. пособие «Физиология возбудимых тканей» и предназначено для самостоятельного изучения темы, вызывающей у студентов наибольшие трудности в понимании.

Основная задача предлагаемого пособия – разобрать те вопросы, которые наиболее сложны для обучающихся и недостаточно полно рассмотрены в базовом учебнике. Пособие содержит фундаментальную информацию в объеме, соответствующем учебным планам СПбГМУ и медицинскому стандарту USMLE. Представлены новые сведения о строении и работе ионных каналов, условиях возникновения и развития мембранных потенциалов в возбудимых тканях.

Информация является дополнением к материалу, изложенному в вузовском учебнике «Нормальная физиология человека», изданном в 2005 году под редакцией академика РАМН Б.И.Ткаченко, основном для студентов 2 курса СПбГМУ. Пособие включает вопросы для самоконтроля, сопровождающие каждый раздел, и тестовые задания для самостоятельной работы.

Предназначено для самостоятельной работы студентов 2 курса СПбГМУ им. акад И.П.Павлова.

 

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

Определение. Все живые клетки обладают мембранным потенциалом. Мембранный потенциал (МП) - это электрическая энергия, существующая по обе стороны мембраны, созданная разделением разноименно заряженных частиц. Внешняя сторона мембраны всех живых клеток заряжена положительно, внутренняя сторона заряжена отрицательно.

В клетке и вне клетки находится большое количество отрицательно и положительно заряженных ионов. Электрическая сила перемещает положительно и отрицательно заряженные ионы одновременно. Одноименно заряженные ионы отталкивают друг друга, разноименно заряженные - притягиваются. Взаимодействие между ионами увеличивается, если расстояние между ними уменьшается, а величина заряда ионов растет.

Чтобы разделить разноименно заряженные частицы необходимо приложить силу, которая больше силы их притяжения. Разделенные разноименно заряженные частицы движутся навстречу и электрические силы притяжения, передвигающие частицы, совершают работу, т.е. разноименно заряженные частицы обладают потенциалом для совершения работы, если могут вновь двигаться навстречу друг другу. Способность разделенных электрических частиц совершать работу при перемещении из одной точки системы к другой создает электрический потенциал, или – разность потенциалов, или – просто потенциал.

Мембранный потенциал называют мембранным потенциалом покоя, если его величина поддерживается без изменений и клетка не выполняет какую-то функцию, например - восприятие и передачу информации.

Роль потенциала, возникающего в результате разделения заряженных частиц, огромна. Это электрическая энергия, существующая в каждой клетке живого организма, которая используется на перемещение множества органических веществ в клетку и из клетки, для транспорта солей (и, соответственно, воды) через клеточную мембрану и между цитоплазменными органеллами, является важнейшим участником сигнальных процессов, определяющих координацию движения между клетками и органами и, без сомнения, является основой всех познавательных процессов. Знание электрических свойств клетки является абсолютно необходимым для изучения функций и механизмов работы практически всех систем органов.

Измерение. Метод измерения мембранного потенциала теоретически прост, но на практике бывает трудным, так как клетки имеют очень малый размер. Рис.1 показывает микроэлектрод – стеклянную пипетку, заполненную концентрированным раствором КС1, входящую в клетку через клеточную мембрану. Другой электрод, называемый индифферентным электродом, находится в окружающей клетку среде. Разность потенциалов между этими двумя электродами измеряется вольтметром. Микроэлектрод является точным прибором, способным измерять очень малые значения потенциала, несмотря на большое сопротивление электрическому току, которое есть у кончика микроэлектрода, размер которого не более 0.5мкм, а сопротивление – десятки мОм. Для записи изменения мембранного потенциала вольтметр соединен с осциллографом. Величина мембранного потенциала в разных клетках составляет от –10 мВ до –90 мВ.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Каким образом передается информация в нервной системе? Убедиться в том, что это электрический процесс, можно на примере миотатического коленного рефлекса: сокращения четырехглавой мышцы бедра при ее растяжении и разгибания ноги в коленном суставе. Поместив электроды в чувствительном нерве, идущем от мышцы, и регистрируя изменения величины мембранного потенциала при растяжении мышцы, можно увидеть, что МП быстро изменяется до положительного значения, а затем возвращается примерно с такой же скоростью до начального отрицательного значения и временно становится более отрицательным, чем он был в период покоя. Эта активная реакция нервной клетки на действие раздражителя называется потенциалом действия. Если работа мышцы (укорочение или растяжение) возрастает, то в нейроне регистрируется серия ПД с какой-то частотой следования.

Известно, что все живые клетки обладают раздражимостью – способностью активно отвечать на воздействие раздражителей изменением структуры или функции: изменением метаболизма, роста, ускорением деления, секрецией, движением, сокращением, специфическим изменением ионной проводимости и мембранного потенциала, и т.д. Раздражителем может оказаться любое изменение внешней среды или внутреннего состояния, если оно достаточно велико, достаточно быстро возникает и достаточно долго действует. Раздражимость живых систем отличается от пассивной реактивности неживых тел тем, что 1) для ответной реакции живые системы используют не энергию внешнего воздействия, а энергию собственных метаболических процессов, 2) затраты собственной энергии для ответа живой системы не всегда пропорциональны силе внешнего воздействия, 3) реакция живого на один и тот же раздражитель одной и тоже силы непостоянна.

Если в ответ на раздражение клетка генерирует потенциал действия, то ее называют возбудимой, а сам процесс генерации потенциала действия – возбуждением. Ткань, состоящая из возбудимых клеток, также называется возбудимой. Возбуждение – процесс, происходящий исключительно на мембране клетки. Его обязательным признаком является изменение электрических свойств ткани: состояния ионных каналов, проводимости, величины мембранного потенциала. Это изменение запускает специфическую функцию клетки – сокращение в мышце, проведение по аксону в нейроне, секрецию в железистой клетке.

Возбудимые клетки генерируют ПД в ответ действие раздражителей, деполяризующих (не гиперполяризующих!) мембрану. Развитие ПД возможно только при 1) наличии потенциалзависимых ионоселективных каналов в мембране и 2) разных концентрациях ионов, для которых существуют потенциалзависимые каналы, по обе стороны мембраны.

Основные свойства ПД указаны в таблице 2 в сравнении со свойствами локального ответа.

Таблица 2. Различия между локальным потенциалом и потенциалом действия

Местный (локальный) потенциал	Потенциал действия (ПД)
Вызывается раздражением рецептора, медиатором в синапсе или возникает спонтанно	Вызывается деполяризацией мембраны до пороговой величины
Амплитуда зависит от силы вызывающего потенциал раздражения	Если мембрана деполяризована до порогового потенциала, амплитуда ПД не зависит от силы раздражителя (закон «все или ничего»)
Потенциал способен к суммации	Не суммируется
Не имеет периода рефрактерности	Имеет рефрактерный период
Распространяется по мембране с уменьшением амплитуды (декрементом)	Распространяется с постоянной амплитудой
Длительность распространения по мембране не более 2-5 мм	Распространяется вдоль мембраны на любое расстояние
Длительность зависит от времени и силы раздражителя	Длительность зависит от типа клетки, в которой потенциал развивается
Может быть деполяризационным или гиперполяризационным	Деполяризация с перезарядкой до положительных значений потенциала
Функция - изменение возбудимости нервных и мышечных клеток при изменении внутренней среды	Функция – способ преобразования и кодирования информации, воспринимаемой организмом, в форму, доступную нервной системе для анализа и управления

 

Фазы потенциала действия. В развитии потенциала действия можно выделить несколько фаз: начальной медленной деполяризации, быстрой деполяризации, реполяризации, следовой деполяризации и следовой гиперполяризации (рис.10).

Фаза деполяризации До развития ПД клетка находится в состоянии покоя. Стимуляция клетки вызывает появление начального медленного электротонического потенциала. Он определяется только емкостными и резистивными свойствами мембраны и не связан с открыванием потенциалзависимых каналов. Следующим этапом изменения потенциала является развитие локального ответа, при котором происходит некоторое увеличение входящего тока ионов Na⁺ через незначительное количество открывающихся потенциалзависимых Na⁺-каналов.

Локальный ответ не всегда переходит в фазу быстрой самоусиливающейся деполяризации: при очень коротком стимуле или при сдвиге МП на величину меньше некоторого критического значения (подпороговый раздражитель) будет иметь место только локальный ответ, потому что деполяризация мембраны усиливает и выходящий ток ионов К⁺. До определенного уровня стимула возникающий деполяризующий ток Na⁺ будет примерно равным поляризующему току утечки К⁺ и положительные связи, приводящие к взрывной деполяризации, не возникнут. После прекращения действия подпорогового раздражителя мембранный потенциал вернется к прежнему значению без генерации ПД, а проницаемость каналов восстановится на исходном уровне (рис.11).

Мембранный потенциал, при котором открывается столько Na⁺-каналов, что входящий ток Na⁺ примерно равен выходящему току К⁺, называется пороговым потенциалом (критическим потенциалом либо критическим уровнем деполяризации). Величина стимула, необходимая для деполяризации мембраны до критического уровня, называется пороговой силой раздражения. Пороговый потенциал в большинстве возбудимых тканейпримерно на 15-30 мВ меньше потенциала покоя. Он различен для разных типов нейронов и зависит от плотности расположения потенциалзависимых Na⁺-каналов, от чувствительности каналов к деполяризации. Минимальное уменьшение потенциала от пороговой величины приводит к лавинообразному току Na⁺.

Если сила стимула пороговая или сверхпороговая, то в результате начальной медленной деполяризации электротоном и локальным током усиливается и начинает значительно преобладать входящий ток Na⁺, поскольку все большая часть мембранных потенциалзависимых Na⁺-каналов, закрытых при потенциале покоя, начинает переходить из активированного закрытого состояния в открытое и суммарная проводимость Na⁺ каналов многократно возрастает.

Увеличение входа Na⁺ деполяризует мембрану. Эта деполяризация в свою очередь вызывает дополнительное открывание Na⁺ каналов и ток Na⁺ возрастает еще больше. Возникает взрывной самоусиливающийся процесс с положительной обратной связью: деполяризация открывает Na⁺-каналы, проницаемость мембраны для Na⁺ возрастает, Na⁺ входит в клетку и еще больше увеличивает степень деполяризации, сдвигая МП в положительную сторону. Открываются дополнительные Na⁺-каналы, проницаемость для Na⁺ увеличивается еще больше. Процесс становится лавинообразным, Максимальная скорость деполяризации в ряде случаев достигает 1000 В/с. Проницаемость для ионов Na⁺ повышает проницаемость для ионов К⁺ минимум в 20 раз. В результате поступления в клетку катионов внутриклеточный отрицательный заряд нейтрализуется, а в нейронах, скелетных миоцитах и сократимых кардиомиоцитах внутренняя поверхность клетки перезаряжается и становится положительной (overshoot), наружная поверхность - отрицательной. Значение положительного потенциала в среднем составляет от +5мВ до +30 мВ.

Взрывообразный процесс деполяризации продолжается до тех пор, пока все работающие активные каналы (обычно это 60% от общего числа каналов в мембране) не перейдут в открытое состояние. В результате конечная величина перезарядки мембраны при развитии ПД неизменна и не зависит от силы стимула, если сила выше порога. ПД или развивается и имеет характеристики, всецело определяемые электрохимическими особенностями мембраны и ее окружения, или не развивается вовсе. Независимость свойств ПД от параметров сверхпорогового раздражителя известна как закон «все или ничего».

Механической аналогией закона «все или ничего» можно считать выстрел из ружья. Если курок спущен, то сила взрыва пороха в патроне, скорость и дальность полета пули не зависят от того, какой силой спущен курок, а зависят от пули и конструкции оружия.

Фаза реполяризации. Следовые процессы. Деполяризация мембраны действует на Na⁺ -каналы двуфазно: открывает активационные ворота и несколько позже (с задержкой около 1/10000 с) закрывает инактивационные ворота потенциалзависимых Na⁺-каналов. Проницаемость мембраны для Na⁺ возвращается к исходному уровню и ток Na⁺ в клетку практически полностью прекращается.

Деполяризация мембраны изменяет состояние не только Na⁺каналов, но и потенциалзависимых К⁺-каналов. Они закрыты при потенциале покоя, но в ответ на деполяризацию открываются и начинают пропускать ионы К⁺. Однако открываются эти каналы медленно, с задержкой, когда инактивационные ворота потенциалзависимых Na⁺-каналов уже закрыты. У этих каналов нет инактивационных ворот и они остаются открытыми в течение всего периода поддержания деполяризации и закрываются при возвращении мембранного потенциала к уровню покоя. Положительный потенциал мембраны далек от равновесного потенциала для К⁺, поэтому К⁺ с большой скоростью выходит из клетки. Выходящий калиевый ток реполяризует мембрану, возвращая потенциал к уровню потенциала покоя.

Таким образом фаза реполяризации обусловлена снижением проницаемости мембраны для Na⁺ и повышением проницаемости мембраны для К⁺. В период завершения реполяризации проницаемость мембраны для К⁺ выше (потенциалзависимые К⁺-каналы закрываются медленно), а для Na⁺ примерно такая же, как при потенциале покоя пред началом генерации ПД. Общее количество катионов в клетке снижается и МП может на некоторое время (до тех пор, пока суммарная проводимость К⁺-каналов не уменьшится до исходного уровня) стать более отрицательным, чем исходный потенциал покоя. Лишь через несколько миллисекунд он сможет вернуться к первоначальному уровню. МП более отрицательный, чем перед развитием ПД, называют следовой гиперполяризацией. В некоторых случаях имеет место обратное явление – замедление возврата МП к исходному уровню и сохранение на определенный период времени более положительных значений - следовая деполяризация. Это явление может быть обусловлено накоплением во время развития ПД ионов К⁺ возле мембраны и следовательно уменьшением трансмембранного градиента К⁺.

Реполяризация мембраны является основным условием не только для закрывания К⁺-каналов, но и для возвращения Na⁺- каналов в исходное состояние, т.е. при мембранном потенциале покоя закрываются их активационные и открывает активационные ворота. В результате мембрана может отвечать на новый деполяризационный стимул.

Поддержание трансмембранных ионных градиентов. Для генерации ПД требуется очень незначительное количество ионов. Чтобы перезарядить мембрану от уровня потенциала покоя до +30 мВ необходимо переместить в клетку примерно 100000 ионов Na⁺ и столько же ионов К⁺ требуется вывести для восстановления мембранного потенциала покоя, т.е. около 6 пар ионов на 1нм² площади мембраны. Однако если после каждого ПД ионы не будут возвращаться, концентрационные градиенты постепенно исчезнут, пассивные диффузионные токи прекратятся и дальнейшая генерация ПД станет невозможной. Избыточное накопление Na⁺ и потеря К⁺ не происходят благодаря активному транспорту, осуществляемому К⁺/Na⁺-АТФазой. Количество перемещенных ионов во время ПД так мало по сравнению с общим их содержанием, что клетка может генерировать еще сотни ПД после блокирования работы насосной функции К⁺/Na⁺-АТФазы.

Работа Na⁺/К⁺-АТФазы всегда повышается с увеличением количества натрия в клетке. Фактически, активность возрастает примерно в кубе от величины градиента натрия. Т.е., если концентрация внутриклеточного натрия возрастает от 10 мМ/л до 20 мМ/л, активность насоса не удваивается, а возрастает в 8 раз. Следовательно, восстановление свойств нервного волокна осуществляется очень быстро, если концентрационные градиенты для Na⁺ и К⁺ начинают уменьшаться.

Изменение возбудимости в процессе развития потенциала действия. Период рефрактерности. Изменение состояния потенциалзависимых каналов при развитии ПД изменяет возбудимость мембраны. Обычно выделяют несколько периодов, отражающих изменение возбудимости клетки в определенный момент развития ПД: период повышенной возбудимости, период абсолютной рефрактерности и период относительной рефрактерности.

В течение практически всего времени развития ПД или даже после его завершения, клетка полностью утрачивает способность к развитию второго ПД, какова бы ни была сила стимула (рис.12). Этот период времени называют периодом абсолютной рефрактерности. Клетка в этот период не может возбудиться повторно потому, что в фазу деполяризации все работающие Nа⁺-каналы уже открыты настолько, насколько это возможно. В фазу реполяризации Na⁺-каналы инактивированы и не могут быть открыты до тех пор, пока мембрана не реполяризуется и каналы не активируются. В этот момент невозможно активировать критическое количество Na⁺-каналов, необходимое для генерации нового ПД (рис. 13).

Период абсолютной рефрактерности сменяется периодом относительной рефрактерности, когда возвращение мембранного потенциала к отрицательной величине создает условия для активации Na⁺-каналов. В это время возникновение ПД возможно, но так как в период относительной рефрактерности часть Na⁺-каналов остается инактивированной, а часть К⁺-каналов еще открыта, для генерации ПД необходима сверхпороговая (по сравнению с ситуацией для мембранного потенциала покоя) сила стимула. Развитие нового ПД во время относительного рефрактерного периода характеризуется тем, что деполяризация и реполяризация развиваются медленнее, а максимум амплитуды ПД ниже, чем обычно.

Изменение параметров ПД в период относительной рефрактерности не находится в противоречии с законом «все или ничего». Характеристики параметров ПД определяются свойствами мембраны. Стимул вызывает деполяризацию мембраны до критического для данного состояния мембраны уровня и ПД развивается до максимально возможной амплитуды в соответствии с тем количеством открытых каналов, которое возможно. В период относительной рефрактерности свойства мембраны иные по сравнению с покоем, следовательно, критический потенциал и амплитудно-временные характеристики ПД также будут иными, чем при развитии ПД в условиях покоя.

Период абсолютной рефрактерности обеспечивает неспособность ПД к суммации, а также ограничивает количество ПД, которое клетка может генерировать в единицу времени. Большинство нервных клеток генерируют примерно 100 ПД в секунду и только очень немногие нейроны способны к большей частоте ПД (до 1000 импульсов/сек в нейронах спирального ганглия улитки). Ограничение частоты ПД в нейронах предотвращает, например, возникновение эпилептических припадков. Большой период рефрактерности в кардиомиоцитах лимитирует частоту сердечных сокращений и предохраняет сердце от тахикардии, аритмии и дезорганизации распространения возбуждения, приводящей к смерти. Период рефрактерности не позволяет ПД распространяться ретроградно (см. далее).

Ритмичность (повторяющееся возбуждение) в возбудимых тканях. Повторяющееся возбуждение, или – ритмическая активность, является нормальной активностью пейсмекерных клеток сердца, многих гладкомышечных клеток, некоторых нейронов. Ритмические разряды вызывают ритмическое сокращение сердца, перистальтику кишки, ритмический контроль дыхания.

Другие возбудимые ткани тоже могут быть переведены в режим периодического возбуждения, если порог для возникновения ПД искусственно понизить. Например, даже крупные нервные волокна и скелетные мышечные волокна, которые в норме очень устойчиво сохраняют потенциал покоя и не возбуждаются без стимула, могут возбуждаться многократно, если поместить их в раствор вератридина или в раствор с низкой концентрацией ионов Са⁺⁺ (и то, и другое повышает чувствительность Na⁺-каналов к деполяризации, способность к активации и увеличивает проницаемость мембраны для Na⁺).

В состоянии физиологического покоя алгебраическая сумма входящих и выходящих ионных токов через мембрану равна нулю. К возникновению авторитмической активности приводят два одновременно выполняющихся условия:1) преобладание входящего при потенциале покоя и достаточного для возникновения ПД тока над выходящим, 2) возрастание выходящего во время ПД тока до величин, достаточных для полноценной реполяризации мембраны, т.е. быстро устраняющей инактивацию каналов входящего тока (тока ионов Na⁺ или Са⁺⁺) и инактивирующей каналы выходящего тока (К⁺-каналы).

В ритмически самовозбуждающихся клетках «потенциал покоя» примерно /–60/ мВ. Это недостаточный по силе потенциал, чтобы поддерживать каналы для Са⁺⁺ и Na⁺. полностью закрытыми. Механизмы активного выведения катионов против градиента концентрации в таких клетках развиты слабо. Следовательно, (1) ионы Na⁺ и Са⁺⁺ движутся в клетку, (2) это увеличивает проницаемость мембраны, (3) больше ионов движутся внутрь, (4) проницаемость вновь возрастает и т.д., пока не возникнет ПД. В конце процесса ПД мембрана реполяризуется обычным путем, но т.к. клетка не может компенсировать токи утечки катионов внутрь, мембрана вновь деполяризуется и генерирует новый ПД. Этот цикл обеспечивает самоподдерживающуюся ритмическую активность возбудимой ткани.

Частота ритмической активности зависит от изменения проводимости мембраны для ионов К⁺. В обычных условиях развития ПД в продолжение некоторого времени после его завершения проводимость для К⁺ велика. Увеличенный выход К⁺ из клетки выносит очень большой положительный заряд наружу, создавая внутри волокна относительно большую электроотрицательность (следовая гиперполяризация) в течение некоторого периода после завершения ПД. Закрывание К⁺-каналов снижает проводимость для К⁺, следовательно мембранный потенциал вновь уменьшается до пороговой величины для возбуждения, генерируется новый ПД и этот процесс периодически повторяется.

Роль ионов Са²⁺ в генерации ПД. В некоторых клетках, в том числе и в нейронах, генерация ПД осуществляется входящим током ионов Са²⁺. Мембраны таких клеток содержат потенциалзависимые Са²⁺-каналы, близкие по свойствам к Na⁺-каналам. Градиент Са²⁺ по обе стороны мембраны создают транспортеры, расположенные в мембране. Са²⁺-АТФаза с затратой энергии АТФ и Са²⁺/Na⁺-обмен осуществляют активный перенос внутриклеточного Са²⁺ в саркоплазматический ретикулум или из клетки наружу. За счет их постоянной работы создается отношение концентраций Са²⁺ внутри/вне клетки примерно 1:10000. Внутри клетки примерно 10^-8 - 10^-7 М/л Са⁺⁺, а снаружи примерно 10^-3 М/л Са⁺⁺.

Потенциалзависимые Са²⁺-каналы обладают незначительной проницаемостью для ионов Na⁺. Они активируются в 10-20 раз медленнее, чем Na⁺-каналы, в связи с чем их принято называть медленными Са²⁺-каналами. Процесс развития ПД в гладкомышечных, сердечных и в отдельных нервных клетках существенно зависит от свойств Са²⁺-каналов. В некоторых гладкомышечных клетках наблюдается полное отсутствие Na⁺-каналов и ПД развивается только за счет входящего деполяризующего тока ионов Са²⁺. В этих клетках характеристики ПД значительно отличаются от ПД нервной и скелетной мышечной клеток.

Концентрация внеклеточного Са²⁺ оказывает существенное влияние на свойства Na⁺-каналов в нейронах. От ее величины в большой степени зависит критический мембранный потенциал, при котором активируется достаточное для генерации ПД количество Na⁺-каналов. Предполагается, что связывание Са²⁺ с внешней стороной белкового комплекса Na⁺-канала влияет на его конформацию, вследствие чего изменяются потенциалзависимые свойства канала.

При недостатке внеклеточных ионов Са²⁺ возрастает число активированных Na⁺-каналов, а критический уровень деполяризации приближается к мембранному потенциалу покоя. Вследствие этого возбудимость нервных клеток возрастает, что создает условия для непрерывной генерации ПД в режиме автоматии без воздействия внешнего стимула.

При концентрации Са²⁺ в крови, составляющем 50% от нормы, происходит спонтанная активация нейронов, управляющих работой скелетных мышечных волокон. Возникающие при этом непроизвольные сокращения мышц, могут привести к судорогам и в конечном счете к летальному исходу из-за прекращения работы скелетной дыхательной мускулатуры.

При избыточном уровне Са²⁺ в крови возбудимость и чувствительность нервов и мышц снижаются.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое потенциал действия?

2. Что такое раздражимость? Чем раздражимость живых систем отличается от реактивности неживых систем?

3. Что такое возбудимость?

4. Расскажите о развитии потенциала действия и нарисуйте график изменения величины мембранного потенциала в процессе развития потенциала действия.

5. Расскажите о работе потенциалзависимых Na-каналов в процессе развития потенциала действия. Что такое процесс с положительной обратной связью в фазе деполяризации?

6. Какие вы знаете следовые процессы при развитии потенциала действия? Расскажите о механизмах развития следовых процессов.

7. Каким образом восстанавливается трансмембранный градиент ионов в клетке и в среде, уменьшающийся при развитии потенциала действия?

8. Как изменяется возбудимость в процессе развития потенциала действия? Что такое период абсолютной рефрактерности и каков механизм его возникновения? Что такое период относительной рефрактерности?

9. Что такое ритмическая активность? Расскажите об условиях, необходимых для развития повторяющегося возбуждения.

10. Расскажите о роли ионов Са²⁺ в генерации потенциала действия в различных возбудимых клетках.

11. Объясните, как изменится величина потенциалов действия нервного волокна кальмара при замене ²/з морской воды на изотонический раст­вор декстрозы? 2) Как объясняется влияние изменений концентрации ионов натрия в окружающей среде на потенциал действия?

12.. Объясните, как изменится потенциал действия 1 — при замене аксоплазмы изотоническим раство­рам K₂SO₄; 2 - при замене ¹/₄ ионов калия в этом растворе на ионы натрия; 3 — при замене ¹/₂ ионов калия на ионы нат­рия?

13. Гигантский аксон кальмара поместили в среду, которая по своему составу соответствовала межклеточной жидкости. При раздражении аксона в нем возникали ПД. Затем концентрацию ионов натрия в среде уравняли с их концентрацией в аксоне и повторили раздражение. Что обнаружили?

14. Во время фазы реполяризации ПД на нерв подействовали препаратом, который способствует длительному открытию калиевых каналов. Как это скажется на продолжительности фазы следовой гиперполяризации?

15. Концентрацию ионов натрия внутри нервной клетки повысили. Как это повлияет на возникновение ПД?

16. Если бы при раздражении нерва активация натриевых и калиевых каналов происходила не последовательно, а одновременно, к чему бы это привело?

17. Может ли какое-нибудь вещество повлиять на состояние нервной клетки, если оно не способно пройти через клеточную мембрану?

18. Что произойдет с нервной клеткой, если ее обработать цианидами (парализуют дыхательные ферменты и прекращают процессы окисления в клетке)?

 

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

Потенциал покоя мембраны

 зависит от соотношения концентрации ионов К⁺ снаружи и внутри клетки

 положительный внутри клетки по отношению к наружной стороне

 равен примерно 100 мВ

 уменьшается по амплитуде при продолжительной аноксии (недостатке кислорода)

 тем больше, чем больше диаметр аксона

Мембранный потенциал покоя

 пропорционален логарифму отношения концентраций ионов К⁺ вне и внутри клетки

 тем больше, чем больше диаметр волокна

 отрицательный внутри по отношению к наружной стороне

 в возбудимых клетках примерно равен 70-90 мВ

 увеличивается при метаболической блокаде

Потенциал действия

 это кратковременное изменение мембранного потенциала до нуля или до положительных значений с быстрым возвращением к исходной величине

 это любая активная реакция живых клеток

 развивается в любой клетке, имеющей мембранный потенциал

 возможен только в мембранах с наличием катионных потенциалзависимых каналов

 никогда не проявляется в клетках растений

Потенциал действия

 зависит от локального тока, который протекает через мембрану клетки

 проводится сальтаторно в немиелинизированных волокнах

 проводится с большей скоростью в волокнах большего диаметра

 способен распространяться со скоростью 100 м/с

 не способен возникать, если раствор, в который погружена нервная клетка, не содержит ионов натрия

Какие фаза или период в развитии потенциалам действия обусловлены прежде всего инактивацией Na⁺-каналов

 фаза начальной медленной деполяризации

 период абсолютной рефрактерности

 фаза реполяризации

 фаза следовой гиперполяризации

 период относительной рефрактерности

Катодическая депрессия

 развивается при кратковременной деполяризации мембраны

 объясняется инактивацией потенциалзависимых каналов при незначительной по амплитуде, но длительной деполяризации

 возникает только при воздействии внешнего постоянного тока на мембрану

 возможна при повышении концентрации К⁺ в среде до 8-12 мМ/л

 снижает возбудимость нейронов и понижает болевую чувствительность

ЛИТЕРАТУРА

1. Албертс Б., Брей Д. и др. // Молекулярная биология клетки // М., Мир, т. 5, 1987

2. Гайтон А., Холл Д. Медицинская физиология.- М.: Логосфера, 2008. - 1296 с.

3. Физиология человека // Ред. Шмидт Р, Тевс Дж. // М., Мир, 2 издание, 1991 г.

4. Фундаментальная и клиническая физиология // Ред А.Г. Камкин, А. А Каменский // М., Академия, 2004.

5. Шеперд Г. Нейробиология. // М., Мир, 1987

6. Berne R.M., Levy M.N., Koeppen B.M., Stanton B.A. // Physiology. Elsevier. Inc., 2004.

7. J. Bullock, J. Boyle, M. Wang // Physiology. 3^rd editor in the exams series. The national medical series for independent study // Philadelphia, Baltimore, Hong Kong, London, Munich, Sydney, Tokyo, 1995.

8. Matthews G.G. Cellular physiology of nerve and muscle // Blackwell Publishing, 2003

9. Neuroscience // Edited by D Purves, G.J. Augustine et all.//Sinauer Associates, Inc. 2004

10. L.Sherwood // Human Physiology. From cell to systems // WPC,St.Paul,MN,USA,1990

11. A.J.Vander, J.S.Sherman, D.S.Luciano // Human Physiology. The mechanisms of body function // Printed in UCA, McGraw-Hill Book Company, 2001.

 

 

ПОДПИСИ К РИСУНКАМ

Рис.1. Внутриклеточное измерение мембранного потенциала стеклянным микроэлектродом (Vander, 2001).

Рис.2. Образование двойного электрического слоя на наружной и внутренней сторонах клеточной мембраны (Vander, 1990)

Рис.3. Механизмы транспорта ионов через клеточную мембрану (Камкин А.Г., Каменский А.А.,

2004)

Рис.4. Типы мембранных каналов

Рис.5. Схематическое изображение потенциалзависимых каналов для Na⁺ и К⁺. При негативном потенциале m- и n-ворота закрыты, h-ворота открыты (Bullock et al., 1995).

Рис.6. Гипотетическая модель натриевого потенциалзависимого канала (Камкин А.Г., Каменский А.А., 2004)

Рис.7. Электротон и локальный ответ. 1-5 – относительная амплитуда стимула (Шмидт, Тевс, 1991)

Рис.8. Свойства электротона и локального ответа: 1) деполяризация и гиперполяризация, 2) зависимость от силы стимула, 3) распространение с затуханием, 4) способность к пространственной и временной суммации (Vander, 2001).

Рис.9. Деполяризация соседних участков мембраны электротоном, распространяющимся от места стимуляции и деполяризации (Vander.2001).

Рис.10. Потенциал действия (1); проводимость мембраны для Na⁺ и К⁺ во время развития потенциала действия (2)

Рис.11. Деполяризация возбудимой мембраны стимулами возрастающей силы (объяснения см. в тексте). (Vander, 2001).

Рис.12. А - рефрактерность (невозбудимость при действии пороговых стимулов) мембраны, Б - периоды абсолютной и относительной рефрактерности мембраны (объяснения см. в тексте) (Vander, 2001).

Рис.13. Состояния «ворот» потенциалзависимых Na⁺- и К⁺-каналов при развитии потенциала действия, определяющие рефрактерность мембраны: А – период абсолютной рефрактерности во время фазы быстрой деполяризации, В – период абсолютной рефрактерности во время фазы реполяризации, С – период относительной рефрактерности во время фазы реполяризации и фазы следовой гиперполяризации (объяснение см. в тексте) (Bullock, 1995).

Рис.14. Изменение возбудимости мембраны в зависимости от разности между мембранным и критическим потенциалами. КУД – критический уровень деполяризации или - критический потенциал. ПП – потенциал покоя

Рис.15. Изменение возбудимости мембраны при действии постоянного тока (объяснения см в тексте)

Рис. 16. Аккомодация нерва при медленном нарастании силы стимула.

Рис.17. Зависимость пороговой силы раздражения от длительности действия стимула (кривая пороговых сил). R – реобаза, Х – хронаксия.

Рис. 18. Механизм проведения ПД по немиелинизированному нервному волокну. (Sherwood, 1990).

Рис.19. Строение миелинизированого нервного волокна (Sherwood, 1990)

Рис.20. Механизм проведения возбуждения по миелинизированному нервному волокну (Sherwood, 1990).

 

рисунок 1

 

 

рисунок 2

рисунок 3

рисунок 4

рисунок 5

рисунок 6

рисунок 7

рисунок 8

рисунок 9

рис.10