Ушедший 20 век характеризовался бурным развитием нейрофизиологии , которое позволило нам в значительной степени приблизится к пониманию закономерностей функционирования нервной системы и головного мозга. Нервная система представляет собой непрерывно работающий конгломерат нервных клеток, которые непрерывно получают информацию , анализируют ее, принимают решения и управляют всеми системами организма. В этой связи одной из главных проблем является вскрытие принципов и механизмов передачи информации в нервной системе.
Сигналы нервных клеток • Для передачи информации от клетки к клетке нейроны используют химические и электрические сигналы • Электрические сигналы могут быть разделены на локальные, градуальные, низкоамплитудные сигналы (рецепторные, синаптические), которые распространяются на небольшое расстояние, а их амплитуда зависит от интенсивности воздействия их вызывающего и не градуальные, высокоамплитудные сигналы (потенциалы действия), которые распространяются на большие расстояния, неизменны по амплитуде и длительности. • Электрические сигналы практически идентичны во всех нервных клетках организма и у разных животных – они являются универсальными единицами кодирования и передачи информации в нервной системе, а сложность выполняемых задач определяется огромным количеством нейронов и разнообразием связей.
Какие механизмы лежат в основе электрических сигналов нервных клеток? Все электрические сигналы являются результатом временного изменения токов, идущих в клетку и из клетки, которые обеспечивают возникновение электрического потенциала на клеточной мембране, значительно отличающегося от такового в состоянии покоя. Электрические токи возникающие в клетке обеспечиваются движением ионов через мембрану.
Животное электричество Луиджи Гальвани (1737 -1798) Алессандро Вольта (1745 -1827) Лаборатория Гальвани Карло Маттеучи (1781 -1862) Дюбуа - Реймон
Словарь • Возбуждение – процесс перехода живой клетки из состояния покоя в состояние активности, сопровождающееся возникновением электрического сигнала на мембране (потенциал действия, нервный импульс) • Раздражитель - фактор внешней или внутренней среды, который оказывает влияние на возбудимую клетку и изменяет активность последней • Раздражение – процесс воздействия раздражителя • Возбудимость – способность живых клеток воспринимать раздражители и отвечать на них возбуждением • Порог раздражения - минимальная интенсивность раздражителя, вызывающая возбуждение. Чем ниже порог, тем больше возбудимость • Торможение - самостоятельный процесс, приводящий к угнетению или предупреждению возбуждения
Все электрические процессы клетки разворачиваются на плазматической (поверхностной ) мембране.
Жидкостно-мозаичная модель плазматической мембраны
Электрические токи возникающие в клетке обеспечиваются движением ионов через мембрану Для того, чтобы ионы могли двигаться через мембрану необходимо создать разность концентраций снаружи и внутри клетки (концентрационный градиент) 10 30 15 20 000 А- - органические анионы
Разность концентраций ионов снаружи и внутри клетки создается работой мембранных транспортных молекул Виды транспорта Направления транспорта ионов Активный транспорт – первичный (использование энергии расщепления АТФ), Na+ Ca 2+ K+ Ca 2+ Cl- вторичный (использование энергии потока ионов по градиенту концентрации). Различают ко-транспорт (движение ионов в одном направлении) и ионообмен (движение в противоположном направлении)
Транспортные молекулы. Натрий- калиевый обменный насос (АТФаза) Na+ K+
Транспортные молекулы Кальциевый насос (АТФаза). Натрий- кальциевый обменник Ca 2+ • Кальциевый насос Натрий- кальциевый (АТФаза) обменник
Транспортные молекулы Калий- хлорный ионообменник и натрий-калий-хлорный ко-транспорт Cl 2 Cl 1 1 2
Электрические токи, возникающие в клетке, обеспечиваются движением ионов через мембрану. Для того, чтобы ионы могли двигаться через мембрану необходимо иметь мембранные структуры, сообщающие вне- и внетриклеточную среду (ионные каналы) 1 -1000 каналов на квадратный микрометр мембраны
Как выглядит ионный канал? • Центральная водная пора • Устья канала • Ворота
Два основных типа ионных каналов • В зависимости от роли в нейрональной сигнализации, различают 2 основных типа ионных каналов – каналы покоя и воротные -gate- (управляемые) каналы. • Каналы покоя открываются в покое без влияния внешних факторов. Они участвуют, преимущественно, в поддержании мембранного потенциала покоя и проницаемы для ионов К или Сl. • Большинство gate-каналов в покое закрыто. Вероятность их открытия регулируется определенными воздействиями. Они участвуют в генерации электрических сигналов.
Избирательность (селективность) каналов • Селективные (Na-, К-, Са-, Clканалы ). Селективность определяется размерами поры и иона, гидратной оболочкой, зарядом иона и внутренней поверхности канала • Неселективные
Открытое и закрытое состояние ионных каналов • Переход из закрытого в открытое состояние происходит моментально. • Канал открывается на определенное время, которое варьирует случайным образом. Среднее время открытого состояния (мс). • Активация- увеличение вероятности открытия канала под действием адекватного стимула. • Деактивация- снижение вероятности открытия канала под действием адекватного стимула. • Инактивация – переход канала в новое конформационное состояние, когда адекватный стимул не действует. • Блокирование открытого состояния- токсины, ионы и др.
Проводимость и проницаемость каналов • Величина тока , проходящего через канал, связана со скоростью движения ионов через него и пропорциональна потенциалу на мембране i = g. V, где V –потенциал на мембране (в B), i – величина тока через канал (в A), константа g – проводимость канала (в Cм) • Проводимость ионного канала зависит от легкости, с которой ионы проходят через канал – проницаемости (внутреннее свойство канала), и от концентрации ионов у устьев канала. • Открытый канал проницаемость Проницаемость + ионы проводимость Ионный ток, текущий через мембрану клетки I= i P N, где i – ток через отдельный канал, P- вероятность открытия канала, Nколичество каналов в мембране.
Способы открытия (активации) управляемых ионных каналов Активация физическими изменениями Активация химическими веществами Потенциал-управляемые каналы Каналы, активирующиеся растяжением Внеклеточная активация Внутриклеточная активация
Работа отдельного канала Преимущества 1. Возможность исследовать отдельный канал 2. Возможность менять потенциал на мембране 3. Возможность менять ионный состав и добавлять любые исследуемые вещества с обоих сторон мембраны
Нобелевская премия 1991 года в области физиологии и медицины Эрвин Нейер и Берт Сакманн «за открытия в области работы одиночных ионных каналов»
Движение ионов через каналы • Движение иона через канал управляется двумя силами: • 1) химической движущей силой, которая зависит от концентрационного градиента, Е • 2) электрической движущей силой, которая зависит от разности электрического потенциала на мембране. • Потенциал на мембране, когда электрическая сила точно уравновешивается химической силой и движение ионов через канал прекращается назвали равновесным потенциалом Е. цитоплазма
Строение ионного канала Методы исследования Аминокислоты Выделение белков каналов Спиральные сегменты Аминокислотная последовательность Домены Клонирование Субъединицы Точечные мутации Канал Экспрессия в чужеродные клетки Цитоплазма
Потенциал-управляемые селективные ионные каналы
Молекулярные механизмы активации и инактивации каналов
Блокаторы ионных каналов Na+ каналы К+ каналы Са 2+ каналы Тетродотоксин Сакситоксин Тетраэтиламмоний Двухвалентные катионы Дигидропиридины (нитрендипин) 4 -аминопиридин Лидокаин Кокаин Тетракаин Прокаин Ибериотоксин Фенилалкиламины (верапамил) Бензотиазепины (дилтиазем)
Генетические дефекты ионных каналов. Каналопатии Na-каналы Мышца • Гиперкалемический периодический паралич • К-обостряемая миотония • Врожденная парамиотония • LQT-3 синдром Мозг • Идиопатические желуд. фибрилляции • Генералищованная эпилепсия с фибрилляциями К-каналы Мышца • LQT-1, 2, 5 синдром • LQT + глухота Мозг • Эпизодическя атаксия • Неонатальные доброкачественные конвульсии Са-каналы Мышца • Злокачетсвенная гипертермия • Гипокалемический периодический паралич Мозг • семейная гемиплегическая Мигрень • Эпизодическая атаксия 2 типа • Спиномозжечковая атаксия 6 типа • Врожденная стационарная ночная слепота Нарушения активации, инактивации, потенциал-зависимости
Разность электрических потенциалов на мембране клетки, возникающая в покое
Регистрация мембранного потенциала покоя • 3. Внутриклеточная микроэлектродная регистрация • Б Величина МПП в возбудимых клетках – от -60 до -90 м. В А Введение электрода 0 -30 -60 А Б Мембранный потенциал покоя Время
Изменения мембранного потенциала покоя 1 • 1. Деполяризация- уменьшение • 2. Гиперполяризация- увеличение • 3. Реполяризация- возвращение к исходному уровню 2 0 1 Деполяризация -30 -60 -90 Реполяризация 2 Гиперполяризация МПП Время
Мембранный потенциал покоя является результатом разделения зарядов относительно клеточной мембраны • • • В покое снаружи мембраны преобладают положительные заряды, а внутри – отрицательные. Такое разделение зарядов сохраняется благодаря тому, что билипидный слой мембраны препятствует диффузии ионов. Разделение зарядов приводит к возникновению разности электрических потенциалов или напряжению на мембране. Мембранный потенциал покоя (МПП) можно определить как Vm = Vin – Vout. , где Vin - потенциал внутри клетки, Vout - - снаружи. Поскольку потенциал снаружи клетки можно принять за ноль, то МПП равен Vin. Юлиус Бернштейн (1839 -1917) Мембранно-ионная теория МПП
Разделение зарядов относительно клеточной мембраны при формировании мембранного потенциала покоя связано с движением ионов по концентрационному градиенту через каналы, открытые в покое. Генерация мембранного потенциала покоя - пассивный процесс, который не требует затраты энергии. Однако энергия необходима для установления первоначального концентрационного градиента, а также для его поддержания в процессе активности клетки. • Глиальные клетки • Нервные клетки
Мембранный потенциал покоя в глиальных клетках А Б • В глиальных клетках в покое открыты только • калиевые каналы покоя • В этом случае МПП определятся равновесным потенциалом для К – • МПП = Ек.
Мембранный потенциал покоя в нервных клетках • Каналы покоя мембраны нервных клеток проницаемы для ионов Na и К • В этом случае МПП не равен Ек и не равен Е Na. Величина МПП будет зависить от соотношения калиевой и натриевой проницаемости • Поскольку натриевая проницаемость составляет 1/25 от калиевой, то МПП будет на 5 -10 м. В меньше Ек. цитоплазма
Расчет мембранного потенциала с учетом калиевой, натриевой и хлорной проводимостей Уравнение Гольдмана – Ходжкина - Катца IK = g. K(V - EK) INa = g. Na(V - ENa) ICl = g. Cl(V - ECl) V = (g. K EK + g. Na ENa +g. Cl ECl)/ (g. K + g. Na +g. Cl) V – мембранный потенциал g – проводимость мембраны для иона (сумма проводимостей всех открытых каналов) Е – равновесный потенциал для иона
Вклад натрий-калиевого насоса в формирование мембранного потенциала Увеличивает МПП на 11 м. В
Электрическая модель мембраны Vm I - трансмембранный ток g - проводимость E – равновесный потенциал Vm- мембранный потенциал
Быстрое колебание мембранного потенциала клетки, в ответ на раздражение, сопровождающееся изменением знака заряда на мембране, возникающее в результате открытия потенциал-управляемых ионных каналов и появления трансмембранных ионных токов
Потенциал действия Фаза деполяризации Фаза реполяризации Раздражающий импульс
Потенциал действия зависит от внеклеточного Na
Блокирование потенциал-управляемых натриевых каналов нарушает генерацию потенциала действия Na+ Тетродотоксин – специфический блокатор натриевых каналов
Блокирование потенциал-управляемых калиевых каналов резко затягивает потенциал действия K+ K+ Тетраэтиламмоний – специфический блокатор калиевых каналов
Метод фиксации потенциала Подача потенциала Основан на измерении трансмембранного тока при фиксированном на нужном уровне потенциале (Коул, Ходжкин и Хаксли) Гигантский аксон кальмара (диаметр волокна около 1 мм) Регистрация тока Поддержание потенциала
Фармакологическое разделение ионных токов контроль Выводы Калиевый ток Входящий ток переносится ионами натрия, а выходящий – ионами калия. Натриевый ток развивается быстро, а калиевый – медленно. Натриевый ток быстро уменьшается (инактивация), а калиевый - нет
Временной ход ионных токов во время потенциала действия
Связь работы ионных каналов с фазами потенциала действия Раздражение Деполяризация (уменьшение мембранного потенциала) Вход ионов натрия Быстрая активация натриевых каналов Инактивация натриевых каналов Медленная активация калиевых каналов Выход ионов калия Реполяризация (увеличение мембранного потенциала) Закрытие калиевых каналов
Почему возникает овершут (смена знака потенциала на мембране ) во время потенциала действия? Na-каналы Na+ K-каналы K+
Размышления о потенциале действия • Потенциал действия - уникальный биологический сигнал. Для его возникновения не нужна энергия, необходимо открыть ионные каналы и электрохимические градиенты, существующие на мембране, за счет возникновения ионных токов его сформируют. • Уникальность сигнала заключается и в том, что для того, чтобы сделать его коротким, и тем самым увеличить объем передаваемой информации, он формируется двумя положительно заряженными ионами (натрия и калия). Сколько положительных зарядов с ионами натрия вошло в клетку во время фазы деполяризации, столько положительных зарядов с ионами калия вышло из клетки вовремя фазы реполяризации. Мембранный потенциал через 1 -2 мс восстанавливается, и клетка снова готова передать информацию. Если бы этого не было, то потенциал действия был бы очень длительным. • Во время потенциала действия количество вошедших ионов натрия примерно равно количеству вышедших ионов калия, что ведет к уменьшению внутриклеточной концентрации калия и увеличению концентрации натрия (0, 1 -0. 5%). Это при высокочастотной активности может привести к деполяризации и нарушению возбудимости клетки. Однако этого не происходит за счет работы натрий-калиевого насоса.
Свойства потенциала действия • Вызывается сверхпороговым раздражением • Амплитуда не зависит от силы раздражения • Распространяется по всей мембране не затухая • Связан с увеличением ионной проницаемости мембраны (открытием ионных каналов) • Не суммируется
Рефрактерность снижение способности клетки отвечать на раздражение в результате временной инактивации натриевых каналов Абсолютная Относительная рефрактерность Абсолютная рефрактерность Генерация ПД невозможна Вызвана инактивацией большинства Na каналов Относительная рефрактерность Генерация ПД возможна при увеличении интенсивности раздражителя Связана с тем, что некоторая часть Na каналов все еще инактивированы
Кальциевые потенциалы действия В некоторых клетках фаза деполяризации ПД формируется за счет потенциалзависимых кальциевых токов ПД кардиомиоцитов синоатриального узла
Нобелевская премия 1963 года в области физиологии и медицины Алан Ходжкин Эндрю Хаксли Сэр Джон Экклс за открытия ионных механизмов возбуждения и торможения нервных клеток
Скачать презентацию Ушедший 20 век характеризовался бурным развитием нейрофизиологии
Сигналы нервных клеток.ppt