Физиология возбудимых тканей Современные основы мембранно-ионной теории возбуждения

Физиология возбудимых тканей Современные основы мембранно-ионной теории возбуждения.

Основные проявления жизнедеятельности §Физиологический покой §Физиологическая активность Раздражение Возбуждение Торможение

Разновидности биологических реакций § Раздражение– любая ответная реакция на действие раздражителя, свойственная всему живому § Возбуждение активная реакция – специализированных (возбудимых) клеток на внешнее воздействие § Торможение прекращение или предотвращение возбуждения

Луиджи Гальвани (1771) если к нервно-мышечному препарату приложить две соединенные между собой пластинки из разных металлов (при этом одна из них располагается на мышце, другая на нерве), то происходит сокращение мышцы.

Карло Маттеучи (1837 г. ) один нервно —мышечный препарат возбуждается током, возникающим при сокращении мышцы другого препарата

Э. Дюбуа-Реймон (1840 -1860): «наружная мембрана заряжена положительно по отношению к внутренней, и эта разность потенциалов изменяется при сокращении мышцы» . Ю. Бернштейн (1902): «клеточная поверхность представляет собой полупроницаемую мембрану, которая в состоянии физиологического покоя проницаема для ионов калия и практически непроницаема для остальных ионов» .

Английский зоолог Д. Юнг (1936) обнаружил, что особые длинные тяжи у кальмаров и каракатиц являются не кровеносными сосудами, как считалось ранее, а необычайно толстыми аксонами.

А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц экспериментально обосновали мембранно-ионную теорию , за что получили нобелевскую премию

Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя (ПП) Все клетки живого организма поляризованы. Между внутренней средой клетки и внешней средой существует разность потенциало Авторы современной теории: Ходжкин, Катц, Хаксли 1949 -1952 г Положения теории: Ионы вне и внутри клетки распределены неравномерно. Катионов калия внутри клетки больше в 40 -50 раз, натрия меньше в 8 -12 раз, анионов хлора меньше в 30 -40 раз. Проницаемость мембраны для разных ионов различна. В состоянии покоя: Р калия : Р натрия : Р хлора = 1 : 0, 04 : 0, 45

Схема регистрации мембранного потенциала клетки

Физиологический мембранный потенциал в возбудимых клетках называетс потенциалом покоя (ПП)

Неравномерное распределение ионов обусловлено: 1. Активным транспортом ионов с помощью мембранных насосов, 2. Избирательной проницаемостью мембраны для неорганических ионов. 3. Плохой проницаемостью для органических анионов , которые скапливаются на внутренней поверхности мембраны.

Диффузионный концентрационный потенциал С 1 › С 2 АНИОН КАТИОН

Равновесный потенциал Динамическое равновесие для определённого иона описывается уравнением Нернста : Где ЕX - разность потенциалов, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура, F - число Фарадея, Z - валентность, [X](in)(out) концентрация ионов внутри и снаружи клетки.

Если подставить значения концентраций из таблицы, то ЕK+ = - 97 м. В ЕNa+ = + 66 м. В

Для расчета мембранного потенциала уравнение Д. Гольдмана : Где ЕМ – мембранный потенциал, R - газовая постоянная, T - абсолютная температура, F - число Фарадея, [X](in)(out) концентрация ионов внутри и снаружи клетки. Расчетная величина ЕМ равна -90 м. В

Проницаемость мембраны для ионов в покое p. K+ : p. Na+ : p. Cl - = 1 : 0, 04 : 0, 45

Двойной электрический слой (мембрана поляризована)

Три состояния мембраны деполяризация МП или Ео гиперполяризация 1. Поляризациязначение МП в состоянии покоя. 2. Деполяризация уменьшение МП, 3. Гиперполяризаци яувеличение МП.

Потенциал покоя создается: 1. Наравеновесным распределением калия, натрия, хлора и кальция внутри клетки по отношению к внешней среде. 2. Разной проницаемостью мембраны для этих ионов. 3. Основным потенциалобразующим ионом является катион калия в связи с существованием выраженного градиента и максимальной для него проницаемостью мембраны. 4. Постоянство потенциала покоя связано с постоянством ионных градиентов, которые поддерживаются работой ионных насосов. 5. Электрогенность калий-натриевого насоса вносит дополнительный вклад в создание мембранного потенциала.

Два варианта ответной реакции возбудимой структуры на действие раздражителя: 1. локальный ответ (ЛО)- на действие подпорогового раздражителя, 2. потенциал действия (ПД, импульс) на действие порогового и надпорогового раздражителя

Мембранно-ионная теория происхождения потенциала действия (ПД) ПД – это быстрое изменение мембранного потенциала которые возникают в месте , нанесения раздражения и распространяются на всю мембрану клетки. В основе возбуждения лежит изменение проницаемости мембраны для калия и натрия , связанное с активацией потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов. Амплитуда потенциала действия нервного волокна составляет 100 -120 мв, а продолжительность 0, 3 -0, 5 мс.

Фазы потенциала действия (ПД) 1 2 3 4 5 – фаза медленной деполяризации, – фаза быстрой деполяризации, – фаза реполяризации, – фаза следовой деполяризации; - фаза следовой гиперполяризации

Схематическое изображение потенциалов действия в различны тканях млекопитающих. Ордината: амплитуда внутриклеточного мембранного потенциала; абсцисса: время после начала потенциала действия. Временная шкала для каждого потенциала действия различна

Натриевая гипотеза Фаза подъёма на кривой ПД (деполяризация) обусловлена временным повышением проницаемости мембраны для Na+ и входом его в клетку

ФАКТЫ : 1. Содержание Na+ во внеклеточной среде в 10 раз выше 2. Ионы Na+ положительно заряжены, и их вход в клетку должен привести к изменению потенциала на «+» 3. На высоте овершута ПД приближается к равновесному Na+ - потенциалу 4. Величина овершута зависит от содержания Na+ во внеклеточной среде 5. Если заменить Na+ во внеклеточной среде на холин, то входящий ток исчезает, а выходящий сохраняется

Проницаемость мембраны для ионов на пике ПД p. K+ : p. Na+ : p. Cl - = 1 : 20 : 0, 45

Состояния. Na+ -канала и условия перехода между ними: Деполяризация или присоединение лиганда Реполяризация КАНАЛ ЗАКРЫТ 1 2 КАНАЛ ИНАКТИВИРОВАН Дальнейшая деполяризация КАНАЛ АКТИВИРОВАН 1 – активационные ворота, 2 – инактивационные ворота

Фазы потенциала действия (ПД) 1 2 3 4 5 – фаза медленной деполяризации, – фаза быстрой деполяризации, – фаза реполяризации, – фаза следовой деполяризации; - фаза следовой гиперполяризации

Потенциал действия (А) и изменения натриев и калиевой проводимости (Б).

Цикл Ходжкина

Изменение возбудимости клетки разные фазы ПД а — мембранный потенциал (исходная возбудимость ), б — локальный ответ (повышенная возбудимость ), в — потенциал действия (абсолютная и относительная рефрактерность ), г — следовая деполяризация (супернормальная возбудимость ), д — следовая гиперполяризация (субнормальная возбудимость )

Потенциал действия: 1. Возникает в ответ на пороговые и сверхпороговые раздражители. 2. Обусловлен увеличением проницаемости мембраны для натрия и калия. При этом деполяризация определяется натриевым током, реполяризация - калиевым. 3. Вслед за основными фазами потенциала действия возникают следовые потенциалы. Следовой отрицательный связан с повышенной проводимостью мембраны для натрия, положительный - для калия. 4. Потенциал действия распространяется и подчиняется правилу “Все или ничего”. 5. При возбуждении активируется калийнатриевый насос.

Локальный ответ – местное возбуждение м. В +40 ПД 0 ЛО КУД ЭП ПП -80 м. А мс 2 4 6

Электротонические потенциалы и локальные ответы

Особенности локального ответа: 1. Возникает на подпороговый раздражитель (60 -80 % от порога). 2. Обусловлен входящим Nа+ , но деполяризации нет из-за компенсации выходящим К+. 3. Не распространяется. 4. Не подчиняется закону «Всё или ничего» . 5. Способен к суммации. 6. Возбудимость во время локального ответа растёт. 7. Не имеет порога возбудимости.

Нейротоксины 1. Тетродотоксин (рыба фугу, калифорнийский тритон) и Сакситоксин (моллюск в водах Аляски) блокируют Nа+ -каналы 2. Батрахотоксин и алкалоиды вератридин и аконитинвызывают устойчивую активацию Nа+ каналов 3. Токсины морских анемон усиливают устойчивую активацию Nа+ -каналов 4. Токсины скорпионов подавляют Nа+ проводимость и активируют К+ -проводимость 5. Местные анестетики ослабляют Nа+ проводимость

Тетродотоксин вызывает блокаду Na+ -каналов