Мембранные белки как ионные каналы. Селективные и неселективные каналы.

Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрация 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 работойворотного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, т.н. активационные ворота и инативационные ворота, изменяя свою конформацию могут перекрывать ионный канал.

В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт) (рис. 2.3). 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 МП 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 МП (деполяризация) клеточной мембраны до определнного уровня, который называют критичеким уровнем деполяризации (КУД);

По способу активации выделяют:

· потенциал-активируемые ионные каналы (переход из закрытого в открытое состояние и обратно осуществляется конформацией белковой молекулы при изменении потенциала мембраны). Примером может служить потенциал-зависимый натриевый канал, определяющий деполяризацию клетки при генерации потенциала действия.

· механочувствительные ионные каналы (открываются при воздействии на мембрану клетки механического стимула, например, при активации механорецепторов кожи).

· лиганд-активируемые ионные каналы. По способу активации они подразделены на две группы (экстраклеточные и внутриклеточные) в зависимости от того, с какой стороны мембраны воздействует лиганд. Если стимул (например, ацетилхолин) при осуществлении синаптической передачи возбуждения в нервно-мышечном синапсе действует на рецептор (в данном примере холинорецептор, представляющий собой одну из нескольких белковых субъединиц ионного канала), расположенный на внешней поверхности мембраны мышечной клетки, откроется ионный канал, проницаемый для катионов. Если лиганд-активируемые каналы зависят от вторичных посредников в клетке, их переход в открытое состояние осуществляется при изменении концентрации определенных ионов в цитоплазме. Примером может служить кальций-активируемый калиевый канал, активирующийся при увеличении концентрации ионов кальция в клетке. Такие каналы принимают участие в реполяризации мембраны при завершении потенциала действия.

Понятие о мембранном потенциале, равновесном ионном потенциале и потенциале покоя. Условия и причины сущ потен покоя. Урав постоян поля.Функц мемб птенциала.

Условия и причины существования потенциала покоя.

Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все клетки организма в состоянии «оперативного» покоя характеризуются определенной степенью поляризации. Плазмолемма каждой клетки заряжена, и в покое на ее внутренней поверхности поддерживается отрицательный относительно межклеточной среды потенциал. Трансмембранная разность потенциалов в разных клетках различна, но всюду достигает нескольких десятков милливольт. С помощью микроэлектродной техники удалось в эксперименте прямо измерить реальную разность потенциалов по обе стороны клеточной мембраны.

Какие ионы и ионные каналы обеспечивают биоэлектрогенез? К настоящему времени известно, что основной вклад в потенциал покоя и потенциал действия вносят четыре иона. Na⁺ K⁺ Ca⁺⁺ Cl^- способны проникать (или не проникать) в определенных условиях через соответствующие ионные каналы.

Для того, чтобы определенный ион (имеющий заряд) мог проникнуть через мембрану, необходимо, чтобы для этого имелись условия:

1.Наличие концентрационного градиента (создается работой ионных насосов)

2.Наличие электрохимического градиента (создается суммой концентраций заряженных частиц и свойствами ионных каналов разобщать катионы и анионы по обе стороны мембраны).

3.Наличие подходящих каналов в открытом состоянии.

При потенциале покоя внутренняя сторона клеточной мембраны имеет заряд, знак которого (отрицательность) определяется наличием в цитоплазме органических анионов (белков и аминокислот), неспособных проникать через ионные каналы, и дефицитомих противоионов – катионов калия, способных проникать через калиевые ионные каналы, вследствие чего в клетке создается избыток отрицательных ионов, а в интерстиции –избыток положительного заряда. Величину отрицательного заряда в клетке и положительного заряда в межклеточном пространстве удается предсказывать математически, но только для относительно простых случаев, например, для гигантского аксона кальмара.

Величина потенциала покоя описывается с известным приближением уравнением постоянного поля, предложенным Ходжкиным, Гольдманом и Кацем.

Vм=RT/zFln {(pk[K⁺]о+pNa [Na⁺]o +pCl [Cl^-]i) / (pk[K⁺]i+pNa [Na⁺]i +pCl [Cl^-]i)}

Не следует путать понятия мембранный потенциал, равновесный потенциал и потенциал покоя.

Мембранный потенциал задается суммой действующих по обе стороны мембраны зарядов, определяющей способность определенных ионов проникать через ионные каналы.

Равновесный потенциал – это такой потенциал плазмолеммы клетки, при котором суммарный ток определенного иона через мембрану равен нулю, несмотря на возможность отдельных ионов проникать через открытые каналы в обмен на такие же ионы, следующие в противоположном направлении. Определяется уравнением Нернста.

Функции мембранного потенциала покоя:

1. Поляризация мембраны является условием для возбуждения и торможения.

2.Поляризация определяет объем выделения медиатора из пресинаптического окончания.

3. ПП создает условия для нахождения потенциалзависимых каналов в закрытом состоянии (поляризация мембраны создает условия для формирования потенциала действия).

 

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Понятие о нервном центре.

Нервный центр — совокупность структур центральной нервной системы, координированная деятельность которых обес­печивает регуляцию отдельных функций организма или опреде­ленный рефлекторный акт. Представление о структурно-функци­ональной основе нервного центра обусловлено историей развития учения о локализации функций в центральной нервной системе. Свойства нерв центров:

2.Замедленное проведение возбуждения по нейронным совокупностям ЦНС. Синаптическая задержка T_син одного межклеточного контакта приблизительно равна 0,5-2 мс. Если имеется n нейронов в сети, общий латентный период проведения сигнала в мозге соответствует n×T_син и может быть весьма значительным. Косвенно, зная время проведения сигнала по ЦНС (вычисляется с учетом общего времени рефлекса и времени, затраченного на проведение по нервным стволам), можно оценить количество синаптических переключений (n) в дуге конкретного рефлекса.

4.Односторонность проведения возбуждения, а также дивергенция и конвергенция синаптических входов создают морфологический субстрат для циркуляции возбуждения (реверберации) по замкнутым нейронным цепям. Считается, что это явление лежит в основе кратковременной памяти.

5.Для определенных нейронов, ассоциированных в ядра, характерна фоновая активность. Она определяется свойствами мембраны и зависит от спонтанной деполяризации. Другие нейроны являются «молчащими» и генерируют ПД только при активации синаптических входов.

6.Для нейронов и имеющихся на их поверхности синапсов характерна чувствительность для различным веществ, сигнальных молекул и метаболитов, содержащихся в ликворе.

7. характерна утомляемость, одной из причин которой является уменьшение запасов имеющегося медиатора и низкая скорость его синтеза.

8. пласичность. Облегчение, потенциация (тетаническая посттетаническая, долговременная), депрессия определяются свойствами рецепторов, следовыми процессами и появлением новых синаптических контактов или рецепторов на поверхности нейронов.

Для нервных сетей мозга характерно направленное, одностороннее (линейное) проведения возбуждения. Если имеется цепочка нейронов, связанных между собой синаптическими контактами, то из-за свойства химических синапсов выделять медиатор из пресинаптического окончания в синаптическую щель и рецептировать его рецептором, локализованным на мембране постсинаптической, вектор распространения возбуждения в нейронной сети направлен в сторону последующего постсинаптического нейрона. Общим примером данного принципа является закон Белла– Мажанди (афферентные волокна входят в спиной мозг через дорсальные, двигательные волокна покидают спинной мозг через вентральные корешки).

Процессы конвергенции заключаются в схождении различ­ных импульсных потоков от нескольких нервных клеток к одному и тому же нейрону (см. раздел 4.1.4). Процесс конвергенции ха­рактерен не только для однотипных нервных клеток. Например, на мотонейронах спинного мозга, кроме первичных афферентных во­локон, конвергируют волокна различных нисходящих трактов от супраспинальных и собственно спинальных центров, а также от возбуждающих и тормозных вставочных промежуточных нейронов. В результате мотонейроны спинного мозга выполняют функцию общего конечного пути для многочисленных нервных образований, включая и надсегментный аппарат головного мозга, имеющих от­ношение к регуляции двигательной функции.

Дивергенцией называется способность нервной клетки устанавливать многочисленные синаптические связи с раз­личными нервными клетками. Благодаря этому одна нервная клет­ка может участвовать в нескольких различных реакциях, пере­давать возбуждение значительному числу других нейронов, кото­рые могут возбудить большее количество нейронов, обеспечивая широкую иррадиацию возбудительного процесса в центральных нервных образованиях.

Строение нейрона.

. Функциональ­но нейроны спинного мозга можно разделить на 4 основные группы:

1) мотонейроны, или двигательные, — клетки передних рогов, аксоны которых образуют передние корешки;

2) интернейроны — нейроны, получающие информацию от спи-нальных ганглиев и располагающиеся в задних рогах. Эти нейроны реагируют на болевые, температурные, тактильные, вибрационные, проприоцептивные раздражения;

3) симпатические, парасимпатические нейроны расположены преимущественно в боковых рогах. Аксоны этих нейронов выходят из спинного мозга в составе передних корешков;

4)) ассоциативные клетки — нейроны собственного аппарата спинного мозга, устанавливающие связи внутри и между сегмен­тами.

Мотонейроны. Аксон мотонейрона своими терминалями иннер-вирует сотни мышечных волокон, образуя мотонейронную единицу

Интернейроны. Эти промежуточные нейроны, генерирующие им­пульсы с частота до 1000 в секунду, являются фоновоактивными и имеют на своих дендритах до 500 синапсов. Функция интернейронов заключается в организации связей между структурами спинного мозга и обеспечении влияния восходящих и нисходящих путей на клетки отдельных сегментов спинного мозга. Очень важной функ­цией интернейронов является торможение активности нейронов, что обеспечивает сохранение направленности пути возбуждения.

Нейроны симпатического отдела автономной системы. Распо­ложены в боковых рогах сегментов грудного отдела спинного мозга. Эти нейроны являются фоновоактивными, но имеют редкую частоту импульсации (3—5 в секунду).

Нейроны парасимпатического отдела автономной системы. Локализуются в сакральном отделе спинного мозга и являются фоновоактивными.

Нейроглия, или глия, — совокупность клеточных элементов нервной ткани, образованная специализированными клетками раз­личной формы. Клетки нейроглии заполняют пространства между нейронами, составляя 40% от объема мозга. Глиальные клетки по размеру в 3—4 раза меньше, чем нервные; С возрастом у человека в мозге число нейронов уменьшается, а число глиальных клеток увеличивается. Классификация:

Астроциты представляют собой многоотростчатые клетки с ядрами овальной формы и небольшим количеством хроматина. Раз­меры астроцитов 7—25 мкм. располагаются главным образом в сером веществе мозга. Ядра астроцитов содержат ДНК, протоплазма имеет пластинчатый комплекс, центрисому, митохон­дрии. астроциты служат опорой нейронов, обеспечи­вают репаративные процессы нервных стволов, изолируют нервное волокно, участвуют в метаболизме нейронов. Отростки астроцитов образуют «ножки», окутывающие капилляры, практически полно­стью покрывая их. В итоге между нейронами и капиллярами рас­полагаются только астроциты. Видимо, они обеспечивают транспорт веществ из крови в нейрон и обратно. Астроциты образуют мостики между капиллярами и эпендимой, выстилающей полости желудочков мозга. Считают, что таким образом обеспечивается обмен между кровью и цереброспинальной жидкостью желудочков мозга, т. е. астроциты выполняют транспортную функцию.

Олигодендроциты —малое количество отростков. Они меньше по размеру, чем астроциты. В коре большого мозга количество олигодендроцитов возрастает от верхних слоев к нижним. В подкорковых структурах, в стволе мозга олигодендро­цитов больше, чем в коре. Олигодендроциты участвуют в миели-низации аксонов (поэтому их больше в белом веществе мозга), в метаболизме нейронов, а также трофике нейронов.

Микроглия представлена самыми мелкими многоотростча-тыми клетками глии, относящимися к блуждающим клеткам. Ис­точником микроглии служит мезодерма. Микроглиальные клетки способны к фагоцитозу.

 

 

14.Современные представления о межклеточных контактах.

Синапсами называются контакты, которые устанавливают нейроны как самостоятельные образования. Синапс представляет собой сложную структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура воспринимающей клетки).

Классификация синапсов. Синапсы классифицируются по мес­тоположению, характеру действия, способу передачи сигнала.

По местоположению выделяют нервно-мышечные,синапсы и нейронейрональные, последние в свою очередь делятся на аксо-соматические, аксоаксональные, аксодендритические, дендросомати-ческие.

По характеру действия на воспринимающую структуру синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими.

Поспособу передачи сигнала синапсы делятся на элек­трические, химические, смешанные.

Характер взаимодействия нейронов. Определяется способом это­го взаимодействия: дистантное, смежное, контактное.

Дистантное взаимодействие может быть обеспечено двумя нейронами, расположенными в разных структурах организма. Например, в клетках ряда структур мозга образуются нейрогормоны, нейропептиды, которые способны воздействовать гуморалыю на ней­роны других отделов.

Смежное взаимодействие нейронов осуществляется в случае, когда мембраны нейронов разделены только межклеточным пространством. Обычно такое взаимодействие имеется там, где меж­ду мембранами нейронов нет глиальных клеток. Такая смежность характерна для аксонов обонятельного нерва, параллельных волокон мозжечка и т. д. Считают, что смежное взаимодействие обеспечивает участие соседних нейронов в выполнении единой функции. Это происходит, в частности, потому, что метаболиты, продукты актив­ности нейрона, попадая в межклеточное пространство, влияют на соседние нейроны. Смежное взаимодействие может в ряде случаев обеспечивать передачу электрической информации от нейрона к нейрону