Потенциал действия нервных клеток, его фазы и порог запуска. Свойства электрочувствительных Na+- и К+каналов

мВ

Подаем
через микро-
электрод
короткие
электрич.
импульсы
нарастающей
амплитуды

…?

10 мВ

Чем ближе ПП к -90 мВ (чем < у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
> порог. стимул, т.е. ниже возбудимость.

Чем ближе ПП к -50 мВ (чем > у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
< порог. стимул, т.е. выше возбудимость.

У некоторых клеток
так много постоянно
открытых Na+-кана-
лов), что их «ПП»
стремится оказаться
выше -50 мВ… (см. стр. 19)

ПД
можно выделить восходящую
и нисходящую фазы (пример-
но по 0.5 мс каждая).

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

ПП

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
ионы 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
ионы 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 – 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).

Что будет, если заблокировать электрочувствительные
(«потенциал-зависимые») Na+-каналы?
[2]. Что будет, если заблокировать электрочувствительные
(«потенциал-зависимые») К+-каналы?
[3]. Если при каждом ПД в клетку входит Na+ и выходит К+,
то не произойдет ли через некоторое время
«разрядка батарейки», т.е. потеря ПП?

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

ТЭА

Na+-K+-АТФазы в поддержание ПП, но и позволяет показать ее важнейшую роль в «ликвидации последствий» ПД.

внутриклеточная
среда

Na+-K+-АТФаза постоянно откачивает из клетки избыток Na+ и возвращает назад K+. Без этого нейрон потерял бы ПП уже через несколько сотен ПД. Важно также, что чем > проникло в клетку Na+, тем активнее
работает насос.

– 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 электри-ческое сопротивление и легче идет запуск ПД.
Это позволяет увеличивать 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 миели-низации аксонов, которая на периферии обеспечивается одним из типов глиальных клеток – шванновскими кл.

(диаметр аксона 1-2 мкм).
Но чем толще проводник-аксон, тем < его электри-ческое сопротивление и легче идет запуск ПД.
Это позволяет увеличивать 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 миели-низации аксонов, которая на периферии обеспечивается одним из типов глиальных клеток – шванновскими кл.
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.

(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=1 мм, V=10 м/с).
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.

Диаметр миелини-зированных аксонов достигает 20 мкм; приблизительную скорость проведе-ния можно рассчи-тать, используя коэффициент 6 (4 мкм → 24 м/с; 10 мкм → 60 м/с и т.д.)

олигодендроцит
образует миелиновые оболочки на нескольких аксонах; миелин – липидно-белковый комплекс, придающий белый цвет скоплениям аксонов («белое в-во»); рассеянный склероз: на белки миелина развивается аутоиммунная реакция.

Б) астроциты: механическая защита и слежение за составом межклеточной среды; образуют гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), задерживающий проникновение в мозг «посторонних» химических веществ (учитывается при разработке лекарств).

В) микроглия:
фагоциты
(макрофаги) нервной ткани

батрахотоксин
* электрические рыбы
* гигантский аксон кальмара

разрядов идет также за счет открывания особых типов К+-каналов, реагирующих на гормоны, медиаторы и др.
Чем > таких каналов открыто, ниже «минимум» и реже частота ПД.

чем сильнее «ток
утечки», тем чаще ритм

В ЦНС человека такими
свойствами обладают
нейроны дыхательного
центра. Пейсмекерами
являются и клетки – во-
дители сердечного ритма.

Нейроны-пейсмекеры (водители ритма): у некоторых клеток так много постоянно открытых Na+-каналов, что заряд цитоплазмы не способен удерживаться на стабильном уровне и медленно смещается вверх (деполяризация).
При достижении порога запуска ПД происходит генерация импульса, после чего заряд нейрона отбрасывается к «минимуму» (около -60 мВ и даже ниже). Затем вновь начинается деполяризация, запуск ПД и т.д.

«минимум»

деполяризация
за счет постоян-
ного входа Na+

мембраны клеток находятся на расстоянии 2 нм (хими-ческий синапс – 20-30 нм).
В мембраны друг напротив друга встроены каналы-коннексоны (каждый состоит из
6 белков-коннексинов).
Через коннексоны легко движутся любые ионы, что позволяет ПД напрямую перехо-дить с клетки на клетку.

Электрическ. синапсы редки в нервной систе-ме позвоночных и обыч-ны для беспозвоночных («сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.
Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).

(«сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.
Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).

ПД поперечно-полосатой мышечной клетки (скелетные мышцы) близок к ПД нейрона: от ПП=-80 мВ вверх до +40 мВ; длительность 1-2 мс; сначала вход Na+, затем выход К+.

ПД сердечного волокна: от ПП=-90 мВ вверх до +20 мВ; гораздо более длительный: 200-400 мс; сначала вход Na+, затем – плато, и лишь затем (из-за нарастающего выхода К+) – возврат к ПП.
ПД мышечной клетки сердца и его стадии:
0 – деполяризация
1 – быстрая реполяризация
2 – плато
3 – окончательная реполяризация
4 – ПП, восстановление ПП

Причина плато – входящий ток ионов Са2+, который на время уравновешивает выход К+.

(«сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.
Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).
ПД мышечной клетки сердца и его стадии:
0 – деполяризация
1 – быстрая реполяризация
2 – плато
3 – окончательная реполяризация
4 – ПП, восстановление ПП

Ионов Са2+ в сотни и тысячи раз больше в межклеточной среде (по сравнению с цитоплазмой); на многих клетках (сердце, гладкие мышцы, нейроны) имеются электрочувствительные Са2+-каналы.

При их открывании начинается вход Са2+ (в клетку вносится положительный заряд плюс влияние Са2+ на активность многих белков); закрывание каналов – при возврате к ПП.

Причина плато – входящий ток ионов Са2+, который на время уравновешивает выход К+.

Еще несколько замечаний:
ПД с плато регистрируется у «рабочих» клеток сердца; назначение плато – дать войти в цитоплазму порции Са2+, который запустит сокращение (взаимное скольжение нитей актина и миозина);
у пейсмекеров сердца нет фазы плато, ПД гораздо более короткий;
суммарный ПД всех клеток сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);
распространение ПД по сердцу – за счет электрических синапсов;
параметры ПД клеток гладких мышц – между параметрами ПД клеток
сердца и скелетных мышц; вход Са2+ наблюдается, но слабее.

плато – дать войти в цитоплазму порции Са2+, который запустит сокращение (взаимное скольжение нитей актина и миозина);
у пейсмекеров сердца нет фазы плато, ПД гораздо более короткий;
суммарный ПД всех клеток сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);
распространение ПД по сердцу – за счет электрических синапсов;
параметры ПД клеток гладких мышц – между параметрами ПД клеток
сердца и скелетных мышц; вход Са2+ наблюдается, но слабее.

«проводимость» того или иного иона (g); оно означает, по сути, количество (иногда – долю) открытых каналов, пропускающих данный ион;
для сдвига равновесия процессов на мембране достаточно изменить g одного из ионов (например, увеличение g для К+ приведет к гипер-поляризации, а для Na+ и Са2+ – к деполяризации);

2) лекция началась с описания процедуры за-пуска ПД с помощью электрической стимуля-ции нейрона; в реальном мозге такой стимуля-ции, конечно, нет; вместо нее – пейсмекеры, действие сенсорных стимулов на клетки-рецепторы в орагнах чувств и (в подавляющем большинстве случаев) выделение возбуждающих медиаторов в синапсах.

клетки
(ее отростка) и связываются с h-створками в тот момент, когда они закрыты. В результате электрочувствительные Na+-каналы
(и проведение ПД в целом) блокируются.

Местные анестетики наносят на слизистую;
их можно вводить в кожу или глубокие ткани,
а также по ходу нерва. При этом выключается
проведение по всем волокнам (сенсорным,
двигательным, вегетативным); возможно
развитие угнетающего действия на ЦНС
(вплоть до остановки дыхания).

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).

– электроциты.
Они собраны в «батарею», способную генерировать разряд в сотни Вольт.
Этот разряд – суммарный ПД электроцитов.

содержащий то же коли-чество К+.
При этом форма ПД практически не менятся.