Мембранный потенциал

среднем -70 мВ.

Измерить ПП можно с помощью тончайшей, особым образом вытянутой стеклянной трубочки-микроэлектрода. Его кончик имеет диаметр < 1 мкм, что позволяет практически без повреждения проткнуть мембрану клетки.

Микроэлектрод (в т.ч. канал внутри кончика) заполнен раствором соли, проводящим эл. ток. Это позволяет оценить сравнить заряд цитоплазмы нейрона с зарядом межклеточной среды).

высокой проницаемостью для ионов калия, низкой для ионов натрия и не проницаема для органических анионов

клетки; погибший нейрон быстро теряет ПП.

Первопричина ПП – разность концентраций ионов K+ и Na+
внутри и снаружи нейрона. Эту разность создает работа
особого белка-насоса Na+-K+-АТФазы (Na+-К+-насоса).

меньше Na+ и в 30 раз больше К+, чем в
межклеточной среде.
К+out : К+in = 1 : 30 Na+out : Na+in = 10 : 1

диф-фузии и в конце концов останавлива-ет её. Возникает состояние «динами-ческого равновесия»: число ионов К+, покинувших клетку благодаря диффузии = числу ионов К+, втянутых в клетку отрицательным за-рядом цитоплазмы.

ПП – это отрицате-льный заряд, останавли-вающий диффузию ионов К+ в межкле-точную среду.

межкле-точную среду.

Вальтер Нернст
(Ноб.пр. 1921)

«Уравнение Нернста»: ПП ~ lg ( К+out / К+in )

С учетом этого ПП = -91 мВ
(«равновесный потенциал» для К+)

ближе к нулю
(в среднем -70 мВ).
Причина: существование
небольшого количества
постоянно открытых
каналов для ионов Na+.

Такой вход Na+ ведет к сдвигу заряда цитоплазмы вверх
и частичной потере ПП (отсюда название – «ток утечки Na+ »).

ПП (отсюда название – «ток утечки Na+ »).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.

ПП (отсюда название – «ток утечки» Na+).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Диффузия K+ из клетки определяется разностью
концентраций К+out и К+in .

Если увеличить К+out , то разность концентраций станет меньше, диффузия – слабее, и для ее остановки потребуется не столь значительный ПП (произойдет сдвиг заряда вверх до достижения новой точки равновесия).

Если снизить К+out , то раз-ность концентраций станет больше, диффузия – силь-нее, и для ее остановки по-требуется более значитель-ный ПП (сдвиг заряда вниз).

Этот график можно по-лучить в эксперимен-те, но в ре-альном мозге в норме такого не происходит

ПП (отсюда название – «ток утечки» Na+).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Диффузия Na+ в клетку зависит, прежде всего, от концентра-ции постоянно открытых Na+-каналов на мембране.

Эта величина, в свою очередь, является стабильным свойством конкретного нейрона. Чем больше таких каналов, тем ПП ближе к нулю, чем меньше – тем ПП ближе к уровню -91 мВ.

Чем ближе ПП к нулю, тем возбудимее нейрон (такие нужны, например, в центрах бодрствования);
чем ближе ПП к уровню -91 мВ, тем ниже возбудимость (мини-мальна в центрах, запускаю-щих движения).

А: нейрон с большим числом Na+-каналов
Б: нейрон со средним числом Na+-каналов
(ПП= -70 мВ)
В: нейрон с малым числом Na+-каналов

клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Работа Na+-K+-АТФазы может быть наруше-на химич. веществами, например, токсином одной из тропических лиан строфантином.

В этом случае ток утечки Na+ не будет полностью компенсироваться и ПП сместится в сторону нуля (степень смещения зависит от дозы токсина = доля заблокированных насосов).

Большая доза токсина настолько нарушает работу Na+-K+-АТФаз, что ПП теряется (происходит «разрядка батарейки фонарика»).
Аналогия: Na+-K+-насос = «за-рядное устройство» нейрона

сердечной недостаточности. Действующим началом являлся дигитоксин, соединение, относящееся к сердечным гликозидам – группе стероидных О-гликозидов. Наиболее известным соединением этого ряда является уабаин.

Na,K –ATФаза ингибируется уабаином

в 1950-60 годы
синтезирован уабаин и др. гликозиды
Показана их способность избирательно связываться и блокировать активность АТФазы нервной ткани. Уабаин использован для выделения и идентификации АТФазы нервной ткани

желудок и кишечник, принять активированный уголь, обратиться к врачу. Можно выпить крепкого кофе.

изменённое восприятие цветов
Воздействие наперстянки на сердце было открыто только 1775 году Уильямом Уизерингомю

проявления жизнедеятельности клеток, тканей и органов для выяснения природы биоэлектрических феноменов и их физиологического значения, а также для их использования в качестве показателей функционирования организма.

живых тканях, т.е. природы генерации биопотенциалов.
2. Исследование свойств живых тканей как проводников электричества.
3. Исследование действия электрического тока на процессы жизнедеятельности.
Важность изучения электрофизиологии определяется тем, что:
1. Многие из электрофизиологических методов широко используются в клинике для диагностики (ЭКГ – сердце, ЭЭГ – мозг, миография – мышцы и т.д.
2. Нарушения биоэлектрических процессов приводит к возникновению различных заболеваний. Поэтому знание электрофизиологии необходимо для понимания механизмов патогенеза многих заболеваний.
3. Методы электростимуляции используются в кардиологии, неврологии, спортивной медицине, косметологии.

различных факторов изменением функции.

Возбудимость - способность отвечать на действие раздражителя возбуждением. В электрофизиологии термином «возбуждение» обозначают 2 процесса:
1.Процесс временной деполяризации мембраны клетки, т.е. генерацию потенциала действия (ПД).
2.Специфический ответ ткани на возникший в ней ПД (проведение нервного импульса, сокращение мышцы, выделение секрета железой и т. д.).
Возбудимостью обладают нервная, мышечная и секреторная ткани, которые называют «возбудимыми тканями».
Проводимость – способность передавать возбуждение на расстояние.
Раздражители (стимулы) – различные факторы внешней среды, способные вызывать возбуждение.
Возбудимость различных тканей неодинакова. Ее величину оценивают по порогу раздражения - минимальной силе раздражителя, которая способна вызвать возбуждение.

др.) были известны очень давно Однако их научное изучение началось лишь в 17 веке.

представляет особую “электрическую жидкость», пронизывающую все тела.
Если появляется ее излишек, то тело заряжается положительно, когда ее недостает — отрицательно. Им было введено понятие положительного и отрицательного заряда и их обозначение: «+» и «-».
В 1753 доказал электрическую природу молнии (опыт со змеем) и тождественность земного и атмосферного электричества. Изобрел молниеотвод.
Его опыты стимулировали исследования врачей и физиологов, которые начали использовать действие электрических зарядов для лечения болезней

шар из серы, насаженный на ось, укреплённую в деревянном штативе. При вращении шар электризовался ладонями рук.

Зная, что стекло не проводит электричество, Мушенбрук в 1745 г. взял стеклянную колбу, наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, соединенную с кондуктором электрической машины и попросил своего помощника вращать шар.
Он предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке. Когда он стал отсоединять медную проволоку то получил сильный удар тока.
Так была изобретена лейденская банка

задних лапок лягушки при прикосновении к ним скальпеля, если рядом вращалась электрофорная машина.
Решил проверить будет ли аналогично действовать атмосферное электричество.
Для этого он подвешивал препараты лапок с помощью медных крючках на перилах балкона. Обнаружил, что когда ветер раскачивал лапки и они соприкасались с железными перилами, происходит сокращение мышц

что тело мертвой лягушки вздрагивало вблизи электрической машины, как только из машины извлекались искры. Такое же явление он заметил, когда повесил препарированные ножки лягушки на медную проволоку на балконной решетке и когда от ветра ножки лягушки прикасались к железу решетки.
Гальвани верно приписал вздрагивание ножек действию электричества,

тем, что в цепи из двух разнородных металлов (цинк и медь) и электролита (физиологический раствор) возникает ток, который вызывает сокращение мышцы.
То есть источником тока является не живая ткань, а металлы, а живая ткань является лишь проводником электрического тока.
Спор между А.Вольта и Л.Гальвани оказал огромное влияние на развитие физиологии.
А.Вольта создал генератор электрического тока – гальванический элемент (вольтов столб).
Ввел понятие об электродвижущей силе, предложил ее единицу – Вольт.

способны генерировать электрический ток Л.Гальвани исключил из опыта металлы
Он препарировал седалищный нерв вдоль бедра лапки лягушки, а затем набрасывал его с помощью стеклянного крючка на мышцы голени, что вызывало сокращение этих мышц (второй опыт Гальвани).

лаборатории, прикасаясь к препаратам пинцетами, сделанными из различных металлов.
Максимальный эффект возникал если использовался пинцет сделанный из меди и цинка.

года. В этот день, имевший тогда уже европейскую известность ученый провел демонстрационный эксперимент с телом повешенного Джорджа Фостера. Меняя параметры тока - напряжение, силу, частоту, а также точки крепления электродов, Альдини продемонстрировал широкий спектр возможностей, открываемых гальванизацией трупа. При активировании лицевых нервов публика видела гримасы ужаса и боли, при гальванизации верхних конечностей Фостер вскидывал руки, вращал ими, сжимал и разжимал кисти; ученый, манипулируя электродами, извлекал из тела повешенного различные звуки, а палитра моторных реакций повешенного в ряде случаев превосходила возможности обычного живого тела: так, у Фостера шевелились волосы и двигались уши. Но особое впечатление на публику произвел своеобразный танец, который Джованни Альдини удавалось воспроизводить и в прежних экспериментах (правда, с обезглавленными трупами): Фостер кружился, поднимал ноги, совершая ряд узнаваемых танцевальных движений... Так описывали лондонские газеты этот впечатляющий Death Dance на следующий день. Несколько человек из публики упали в обморок.

Джованни Альдини (1762 - 1834), хотя именно он открыл новую страницу сопротивления смертоносному началу природы. Альдини, судебный медик из Болоньи, включил в свои исследования и человеческие тела, а именно, трупы заключенных, казненных по приговору суда. В сферу экспериментов ученого попали и обезглавленные тела, и отрубленные головы, но так же и нерасчлененные трупы, которые, по всей видимости, приходилось выкупать, на что ученый тратил свои личные гонорары: всего лишь один из примеров беззаветного служения науке. Впрочем, гальванизируемые человеческие трупы в целом показывали ту же картину, что и тушки лягушек, свежеубиенные туши коров - но Альдини работал, не покладая рук, добиваясь тонкой дифференциации движений. Результаты своих опытов ученый тщательно фиксировал.

(ток покоя), который течет от ее неповрежденной поверхности к поперечному разрезу.
В 1841 г. Дюбуа Реймон установил, что поврежденный участок имеет отрицательный заряд, а неповрежденный – положительный. Ввел понятия «возбуждение», «возбудимые ткани»

раздражение генерировать специфическую реакцию – возбуждение.
Возбуждение – это процесс перехода живой клетки из состояния покоя в состояние активности. Это сопровождается появлением в клетке высокоамплитудного электрического сигнала – потенциала действия (нервного импульса).
Раздражение – процесс действия раздражителя, который действуя на возбудимую клетку, вызывает возбуждение.
Раздражитель ( фактор внешней или внутренней среды, в нервной системе это ионный электрический ток) может вызвать раздражение если его сила равна или превышает определенную величину – порог раздражения.

жидкой фазы липидов и встроенных в липиды белковых молекул. Молекулы липидов организованы в бислойную мембрану (6 нм).Полярные гидрофильные головки обращены к поверхностям мембраны, гидрофобные к хвосты вытянуты к середине бислоя. Мембрана плохо пропускает воду, практически непроницаемы для ионов т.к. липиды плотно упакованы в мембране и между ними нет практически никаких расстояний.

либо с внешней стороны. Некоторые белки полностью пронизывают мембрану. Именно они (трансмембранные) образуют структуры, образующие движение ионов через мембрану ( ионные переносчики и ионные каналы)

и ПД.
Регуляторная – регуляция внутреннего содержимого и внутриклеточных реакций.
Преобразование внешних стимулов в электрические сигналы
Высвобождение нейромедиаторов

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны

Гидрофобные концы молекул – внутри, гидрофильные – снаружи.
Интегрированные белки – рецепторы, каналы, мембранные насосы, переносчики ионов и молекул

др.); функция – обработка информации
дендриты нейрона: их обычно несколько, относительно короткие
их обычно несколько,относит. короткие (неск. мм), сильно ветвятся (под острым углом), сужаются по мере удаления от сомы; воспринимают и проводят сигналы к соме
аксон: всегда один, относит. длинный (неск. см), слабо ветвится (под прямым углом), имеет стабильный диаметр; проводит сигналы от сомы к другим клеткам
Коллатераль – отросток аксона

потенциалов действия (ПД).
Источником является постоянный внутриклеточный заряд –
потенциал покоя (ПП).

Электрические свойства нейронов.
Потенциал покоя и потенциал действия.

мВ

Подаем
через микро-
электрод
короткие
электрич.
импульсы
нарастающей
амплитуды

имеют створки, реагирую-
щие на изменение заряда внутри
нейрона и открывающиеся, если этот
заряд становится выше -50 мВ.

Восходящая фаза (деполяризация): вход в клетку
«порции» Na+.
Нисходящая фаза (реполяризация): выход из клетки примерно такой же «порции» К+.

ПП

Если заряд внутри нейрона вновь ниже -50 мВ – створка закрывается, т.к. по- ложительные заряды, расположенные на ней, притягиваются к отрицательно заряженным ионам цитоплазмы.
Положительные заряды створки – это заряды аминокислот, входящих
в состав соответствующей молекулярной петли белка-канала.

имеют створки, реагирую-
щие на изменение заряда внутри
нейрона и открывающиеся, если этот
заряд становится выше -50 мВ.

Восходящая
фаза: вход в
клетку
«порции» Na+.
Нисходящая
фаза: выход из клетки при-
мерно такой же
«порции» К+.

Если заряд внутри нейрона вновь ниже -50 мВ – створка закрывается, т.к. по- ложительные заряды, расположенные на ней, притягиваются к отрицательно заряженным ионам цитоплазмы.
Положительные заряды створки – это заряды аминокислот, входящих
в состав соответствующей молекулярной петли белка-канала.

Открытие электрочувствительного Na+-канала «разрешает»
вход Na+ в клетку. Открытие электрочувствительного
К+-канала «разрешает» выход К+ из клетки.
Na+-каналы открываются очень быстро после стимула и
самопроизвольно закрываются примерно через 0.5 мс.
К+-каналы открываются медленно – в течение примерно
0.5 мс после стимула; закрываются они в большинстве
своем к моменту снижения заряда нейрона до уровня ПП.

Именно разная скорость открытия
Na+-каналов и К+-каналов позволяет
возникнуть сначала восходящей, а
затем – нисходящей фазе ПД.
(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный заряд, а затем ио-
ны К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние.
Для закрытия Na+-кана-лов на пике ПД служит дополнительная (внутриклеточная, инактивационная, И-) створка – h-ворота.
Вторая створка
(активационная, А-) –
m-ворота.

– нисходящей фазе ПД.
(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный заряд, а затем ио-
ны К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние.
Для закрытия Na+-кана-лов на пике ПД служит дополнительная (внутриклеточная, инактивационная, И-) створка – h-ворота
Вторая створка
(активационная, А-) –
m-ворота.

1

1 = 5 = ПП (большая
h-створка открыта, ма-
лая m-створка закрыта);
2 = малая m-створка открылась, входит Na+;
3 = большая h-створка
закрыла канал;
4 = малая m-створка вернулась на место;
5 = канал вернулся в исходное положение.

– нисходящей фазе ПД.
(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный заряд, а затем ио-
ны К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние.

1 = 5 = ПП (большая
h-створка открыта, ма-
лая m-створка закрыта);
2 = малая m-створка открылась, входит Na+;
3 = большая h-створка
закрыла канал;
4 = малая m-створка вернулась на место;
5 = канал вернулся в исходное положение.

мВ), заряд нейрона после ПД нередко опускается
ниже ПП (следовая гиперполяризация, относит. рефрактерность).

мВ

мс

Вершина ПД («овершут») – момент равенства токов натрия и калия; она не м.б. выше равновесного потенциала для натрия, который составляет 61.5 мВ при соотношении Na+out : Na+in = 10 : 1 (см. уравнение Нернста).

щается генерация и проведение ПД: сначала – по периферическим нервам
(«иллюзии» кожной чувствительности,
параличи, нарушения зрения и слуха),
позже – потеря сознания; смерть от
остановки дыхания (см. сэр Дж. Кук).

изменяется мало,
нисходящая – затягивает-
ся до 50 и > мс (реполя-
ризация происходит за
счет постоянно открытых
К+-каналов, которых при-
мерно в 100 раз <, чем
электрочувствительных);
ТЭА вызывает глубокую
потерю сознания.

местные токи, возникающие между возбужденным участком (заряженным отрицательно), и невозбужденными (заряженными положительно) деполяризуют мембрану до критического уровня, что приводит к генерации ПД в соседних участках (I - непрерывное проведение).
Наличие у миелиновых волокон оболочки (с высоким электрическим сопротивлением), приводит к тому, что местные токи могут возникать только между перехватами Ранвье (лишенных миелина), где и происходит генерация ПД. Возбуждение «перепрыгивает» через участки нервного волокна, покрытые миелином (II – сальтаторное, скачкообразное проведение).

– он распространяется
по всей мембране.

Причина: деполяри-зация в точке появ-ления ПД играет роль запускающего (надпорогового, около 100 мВ) сти-мула по отношению к соседним точкам. Это сходно с «кру-гами на воде», а точнее – с горением бенгальского огня.

– он распространяется
по всей мембране.

Причина: деполяри-зация в точке появ-ления ПД играет роль запускающего (надпорогового, около 100 мВ) сти-мула по отношению к соседним точкам. Это сходно с «кру-гами на воде», а точнее – с горением бенгальского огня.
Скорость такого распространения низка и не пре-вышает у человека 1-2 м/с (диаметр аксона 1-2 мкм).
Но: чем толще проводник-аксон, тем < его электрич. сопротивление и легче происходит запуск ПД. Это позволяет увеливать скорость за счет наращивания диаметра аксона. Рекорд - гигантский аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).

«Радикальный» рост скорости проведения – за счет миеленизации аксонов, которая обеспечивается одним из типов глиальных клеток – Шванновскими клетками.

(диаметр аксона 1-2 мкм).
Но: чем толще проводник-аксон, тем < его электрич. сопротивление и легче происходит запуск ПД. Это позволяет увеливать скорость за счет наращивания диаметра аксона. Рекорд - гигантский аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).

«Радикальный» рост скорости проведения – за счет миеленизации аксонов, которая обеспечивается одним из типов глиальных клеток – Шванновскими клетками.
Миелиновая оболочка (несколько десятков мемб-ранных слоев) – хороший изолятор. В связи с этим связанные с ПД электрические токи могут течь только через перехваты Ранвье; электрочувстви-тельные каналы также расположены только на перехватах. В результате по миелинизированному аксону ПД передается скачками («сальтаторно») с перехвата на перехват.

Протяженность перехватов Ранвье = 1% от общей длины аксона. В итоге это приводит к росту скорости проведения ПД до 100-120 м/с.

внутрь клетки и связывается с h-створками в тот момент, когда они открыты. В результате электрочувст-вительные Na+-каналы не закрываются. Начинается тоталь-ный вход Na+, проводящий к быстрой потере нейроном как
ПП, так и способности проводить ПД (одна лягушка – от 10 до 100 смертельных доз).

в среднем с 1000 других нейронов.
Существуют контакты нейронов с мышечными, секреторными и др. клетками.
Межклеточные контакты, специализированные для передачи сигналов -
Синапсы

Пресинаптический ток из нервной терминали распространяется на постсинаптичекую клетку

Пресинаптический ток в нервной терминали вызывает освобождение химического посредника (медиатора). Его молекулы взаимодействуют с рецепторами постсинаптического нейрона

Электрический синапс ≈ 1%

Химический синапс ≈ 99%

Два основных типа синаптической передачи

мембран
2. Наличие системы каналов щелевого контакта, обеспечивающей быстрый пассивный перенос ионов между клетками (как правило) двухсторонний.

В электрическом синапсе сигнал ослабляется !
Главное преимущество – высокая скорость передачи

на ослабление сигнала

В электрическом синапсе коннексоны позволяют току распространяться по клеточному синцитию

из одной клетки в другую в области щелевых контактов через широкие каналы, образуемые белками - коннексонами.
Хотя сигнал при этом теряет в амплитуде, но зато сильно выигрывает в скорости распространения, которая лимитируется только диффузией.
Сигналы могут распространяться в обоих направлениях.
Основная функция – синхронизация электрической активности в популяции близко расположенных нейронов.
Не только ионы, но и вещества большего размера, например, АТФ, могут распространяться этим путем.

Основные свойства электрических синапсов

–электрически управляемая секреция медиатора; (б) синаптической щели – пространство шириной 40-50 нм, где происходит свободная диффузия медиатора; (в) постсинаптической мембраной, обладающей лиганд-активируемыми каналами.
В химическом синпсе происходит двукратная трансформация сигнала: из электро в хемо и снова в электро. Сигнал усиливается, но возникает синаптическая задержка

молекулярный вес
Относительная простота и скорость синтеза (небольшое число стадий)
Доступность исходных продуктов и наличие систем поступления их в нервную клетку
Невысокие энергетические затраты («дешевизна») на синтез или обратный захват нейроном
Возможность повторного использования самого медиатора или непосредственных продуктов его метаболизма
В синапсе из окончания аксона при приходе потенциала действия выделяется вещество-медиатор, которое может возбуждать либо тормозить активность клетки-мишени.

главный возбуждающий медиатор ЦНС – глутаминовая кислота;
главный тормозный медиатор ЦНС – гамма-аминомасляная кислота (ГАМК);
медиатор нервно-мышечных синапсов – ацетилхолин;
медиаторы вегетативных синапсов – ацетилхолин и норадреналин.

Основные медиаторы

медиатором;
синаптическая щель шириной 30 – 50 нм
постсинаптическое уплотнение – участок клеточной мембраны, содержащий рецепторы и взаимодействующие с ними внутриклеточные белки

канала достаточно для экзоцитоза одного кванта

При длинной дистанции даже два открытых Са2+ канала могут не вызвать экзоцитоз

определенным участком пресинаптической мембраны; (ii) достаточно высокая (>> 10-6 M) пиковая концентрация Са2+

Варианты механизма экзоцитоза определяются участвующими в этом процессе белками

синаптических пузырьков: Synaptobrevin Synaptotagmin (интегр. белок)
Основные белки пресинаптической мембраны: Syntaxin (интегр. белок) SNAP-25О

Состояние покоя: пузырьки доставлены к местам освобождения, но белковое взаимодействие еще не началось.

к мембране (docking) и подготовлен к слиянию с ней (priming), для чего необходим Са2+

Химический сигнал формируется из таких пузырьков, готовых к немедленному использованию. Этого пула хватает (в зависимости от синапса) на некоторое число последовательных сигналов.

Такое состояние является результатом взаимодействия синаптобревина с синтаксином и SNAP-25.

этап. Деполяризация открывает кальциевые каналы в пресинаптической мембране. Концентрация Са2+ повышается вблизи пузырька. Са2+ связывается с синаптотагмином

Это состояние непосредственно предшествует последнему этапу - освобождению медиатора в синаптическую щель

слияние (fusion) пузырька с мембраной и опорожнение его содержимого

Синаптотагмин, взаимодействуя с Са2+, катализирует слияние мембраны пузырька с пресинаптической мембраной, что открывает дорогу свободной диффузии медиатора в объем синаптической щели