Лекция 4 Электрохимические процессы в нервной клетке

Лекция 4. Электрохимические процессы в нервной клетке – основа возникновения и передачи возбуждения

Луиджи Гальвани (1737 -1798) – открыл явление «животного» электричества и на основе опытов с раздражением лапы лягушки электрическим током предположил, что у всех животных электричество «рождается в мозгу» и распространяется отсюда по нервам к мышцам

Электрофизиология нервной клетки. Основные понятия. Одно из основных свойств живых клеток возбудимость - способность быстро изменять свои свойства (реагировать) в ответ на внешние воздействия. В частном случае – способность электрические импульсы продуцировать Нервные клетки способны не только к возбуждению, но и передаче электрических сигналов, приводящих к изменениям других клеток. В основе возникновения и проведения возбуждения в нервной системе лежат электрохимические процессы

Электрофизиология нервной клетки. Основные понятия. Молекулы органических и неорганических веществ, находящиеся во внеклеточной среде и внутри клетки, растворены в воде и состоят из заряженных частиц - ионов. Анионы частицы - отрицательно заряженные Катионы частицы - положительно заряженные

Электрофизиология нервной клетки. Основные понятия. При разделении в пространстве отрицательных и положительных ионов возникает разность потенциалов, которая измеряется в вольтах

Электрофизиология нервной клетки. Основные понятия. Силы, определяющие пространстве: движения ионов в Электростатические противоположно заряженные частицы притягиваются, одинаково заряженные - отталкиваются Электрохимические - возникают из-за разности концентрации ионов и вызывают диффузию движение полупроницаемую мембрану ионов через Сочетание этих сил приводит к установлению динамического равновесия в клеточной среде.

Химический состав цитоплазмы нервной клетки и окружающей среды Содержание основных ионов в нейроне позвоночного Электрические процессы в клетках обусловлены неравномерным распределением ионов по обе стороны клеточной мембраны. Почему оно возникает?

Избирательная проницаемость мембраны нервной клетки ·Разница в концентрации ионов во внеклеточном и внутриклеточном пространстве создается благодаря избирательной проницаемости мембраны (некоторые ионы проходят через мембрану легче других) ·Мембрана содержит ионные каналы образованные белковыми молекулами - поры, ·Некоторые каналы открыты все время (nongated), прохождение ионов через эти каналы определяется их размерами, некоторые открываются при воздействии на мембрану определенных нейромедиаторов или электрических импульсов (gated), изменяющих структуру белковой молекулы, из которой состоит пора

Мембранные белковые каналы – поры с разной проницаемостью для ионов

Различные типы ионных каналов расположены на разных участках мембраны нейрона Пассивные каналы расположены по всей поверхности клетки Химически чувствительные каналы обычно расположены на дендритах Электрически чувствительные каналы расположены в месте выхода аксона из клетки

Мембранный потенциал (потенциал покоя) Концентрация ионов Na+ и Cl - выше во внеклеточном пространстве Концентрация ионов K+ и органических анионов выше внутри клетки В результате этого под действием электрохимических и электростатических сил возникает мембранный потенциал

Мембранный потенциал. Метод внутриклеточной регистрации

Мембранный потенциал. Вклад ионов К+ Мембрана нейрона обладает наибольшей проницаемостью для ионов К+ Вклад этих ионов в МП является наиболее значительным Электрохимическая сила (разница в концентрации иона внутри и вне клетки) приводит к выходу К+ из клетки, при этом из нее выносятся положительные заряды и возникает МП, накопление К+ на внешней поверхности мембраны препятствует дальнейшему выходу К+ из клетки - начинает действовать электростатическая сила в противоположном направлении. Потенциал, при котором наступает равновесие этих сил - калиевый равновесный потенциал

Равновесные диффузионные потенциалы. Уравнение Нернста. A (эл. х) = 2, 3 RT lg([K+]out / [K+]in) A (эл. ) = FE A (эл. х) = A (эл. ) FE = 2, 3 RT lg([K+]out / [K+]in) E k = - 75 м. В Равновесный потенциал для данного иона определяется соотношением его вне- и внутриклеточной концентрации, а также газовой постоянной (R) (мерой внутренней энергии вещества), температурой (T), постоянной Фарадея (F) (количеством электрических зарядов в 1 моле вещества)

Мембранный потенциал. Движение ионов Cl. Мембрана нейрона проницаема также для ионов Cl. Градиент концетрации этих ионов на мембране противоположен градиенту К+ Электрохимическая сила (разница в концентрации иона внутри и вне клетки) приводит к движению Cl- внутрь клетки, отрицательные заряды, попадая в клетку начинают «выталкиваться» электростатической силой, т. к. в клетке много отрицательно заряженных частиц. Потенциал, при котором наступает равновесие этих сил - хлорный равновесный потенциал, приблизительно равный калиевому.

Мембранный потенциал. Движение ионов Na+ Мембрана нейрона проницаема также для ионов Na+, но эта проницаемость в 25 раз ниже. Градиент концетрации этих ионов на мембране противоположен градиенту К+ Электрохимическая и электростатическая силы работают вместе, вызывая движение ионов Na+ внуть клетки. Потенциал равновесия Na+ имеет противоположный знак по отношению к равновесному потенциалу К+ и, несмотря на низкую проницаемость мембраны для натрия, эти потенциалы должны были бы уравновесить друга. Этого не происходит, благодаря существованию специального активного механизма, осуществляющего движение ионов Na+ и K+ против их градиентов концентрации.

Активный транспорт Na+ и K+ через мебрану нейрона. Метаболический насос.

Экспериментальные доказательства существования метаболического мембранного насоса CN Зависимость выхода радиоактивного натрия из клетки от уровня метаболизма Candwell et al. , 1961

Основные движения ионов, создающие мембранный потенциал нейрона в покое Cl-

Потенциал действия - основа передачи сигналов в нервной системе Экспериментальная физиология НС 18 -19 вв. изучение нервно-мышечного препарата лягушки: раздражение нерва вызывает через некоторое время сокращение мышцы Нервная клетка передает сигналы к другим клеткам и управляет действием эффекторов с помощью электрических сигналов - потенциалов действия

Регистрация потенциалов действия (спайков) с помощью внутриклеточных электродов.

Потенциал действия. Основные факты, полученные при изучении гигантского аксона кальмара ·ПД возникает на мембране нейрона ·Необходимым условием является наличие мембранного потенциала ·Коль, Кертис. 1939. ПД представляет собой кратковременную деполяризацию мембраны (изменение значения МП от отрицательного к нулевому, а затем положительному) ·Ходжкин, Кац. 1949. Этот процесс связан с увеличением проницаемости мембраны для натрия ·Модель Ходжкина, Хаксли, 1968. Описывает все фазы ПД

Потенциал действия. Основные фазы Модель Ходжкина-Хаксли. МП - «поры-ворота» закрыты Повышение натриевой проводимости - открытие «ворот» для Na+ Инактивация натриевых каналов. Повышение калиевой проводимости открытие «ворот» для К+. Возвращение к исходному состоянию

Основные положения теории Ходжкина-Хаксли ·ПД начинается с деполяризации мембранного потенциала, приводящей к открытию натриевых каналов (активации) и входу натрия в клетку. ·Эти процессы находятся в отношениях положительной обратной связи, что приводит к быстрому развитию деполяризационной фазы ПД ·При деполяризации свыше + 30 м. В начинается инактивация натриевых каналов, препятствующая дальнейшему проникновению натрия в клетку и приводящая к реполяризации ·Этот процесс сопровождается активацией калиевых каналов, что приводит к возвращению исходного уровня МП.

Основные свойства потенциала действия ·Наличие порога возбудимости - уровня деполяризации МП при достижении которого быстро (менее 1 мс) развивается восходящая фаза ПД ·Постоянство амплитуды - принцип «все или ничего» ·Рефрактерность - отсутствие реакции нейрона сразу после развития ПД, что связано с инактивацией натриевых каналов. В течение абсолютного рефрактерного периода (около 1 мс) невозможно вызвать реакцию , в течение относительного рефрактерного периода (несколько мс) реакция возможна, но ее порог выше, а амплитуда ПД ниже. ·Отсутствие «затухания» при распространении на большие расстояния

Проведение потенциала действия в немиеленизированном нервном волокне Во время ПД внутрь клетки входит положительный ток, который деполяризует соседний участок мембраны, открываются каналы для Na и возникает новый ПД Такое распространение тока зависит от сопротивления и емкости мембраны и называется электротоном

Проведение потенциала действия в миелинезированном нервном волокне Нервные импульсы генерируются в перехватах Ранвье, обладающих высокой плотностью натриевых каналов, «перепрыгивая» от одного к другому - сальтаторное проведение