Возбудимость И В Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Возбудимость И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Раздражимость способность живых систем формировать ответную реакцию на действие раздражителя в виде изменения метаболизма, функций и структуры. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Возбудимость - способность клеток формировать ответную реакцию на действие раздражителя в виде возбуждения. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Возбуждение - ответная реакция клетки на действие раздражителя, проявляющаяся в специфической для нее функции (проведение возбуждения, сокращении, секреции) и неспецифической реакции – генерации потенциала действия. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Возбудимость – это свойство. Возбуждение – это процесс. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

вольтметр • Микроэлектрод - стеклянная трубочка с вытянутым концом. • Диаметр кончика микроэлектрода 1 -3 мкм, что позволяет проткнуть мембрану клетки без нарушения ее целостности. • Микроэлектрод заполнен раствором KCl, что позволяет проводить через него электрический ток. • Это позволяет измерить разность потенциала между И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии цитоплазмой клетки и межклеточной средой.

вольтметр показания вольтметра, м. В 0 МП -90 момент прокола мембраны время, мин • Мембранный потенциал клетки (МП) – разность потенциалов между цитоплазмой клетки и межклеточной средой. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной • Величина составляет – 30 - 90 м. В. физиологии

Условия формирования МП. 1. Разность концентраций ионов вне и внутри клетки. 2. Мембрана избирательно проницаема для различных ионов. • В состоянии покоя мембрана проницаема для катионов и практически непроницаема для анионов. • В покое проницаемость для ионов калия гораздо выше, чем И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной для ионов натрия. физиологии

Разность концентрации ионов K+ и Na+ внутри и снаружи нейрона создается работой ионного-насоса Na+-K+-АТФазы (Na+-К+-насоса). внутриклеточная среда Na+ АДФ АТФ межклеточная среда K+ внутриклеточная среда Na+ межклеточная среда И. В. Мирошниченко Na Кафедра нормальной физиологии + K+

Разность концентрации ионов K+ и Na+ внутри и снаружи нейрона создается работой ионного-насоса Na+-K+-АТФазы (Na+-К+-насоса). внутриклеточная среда K+ межклеточная среда Na+ K+ K+ внутриклеточная среда И. В. Мирошниченко K+ Na+ Кафедра нормальной физиологии межклеточная среда

В результате работы Na+-K+-АТФазы в нейроне оказывается примерно в 10 раз меньше Na+ и в 30 раз больше К+, чем в межклеточной среде. К+out : К+in = 1 : 30 Na+out : Na+in = 10 : 1 И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Классификация ионных каналов Лигандзависимые Нерегулируемые Потенциалзависимые Регулируемые Механочувствительные Термочувствительные И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

i i i i И. В. Мирошниченко i i Кафедра нормальной физиологии i

i i i i И. В. Мирошниченко i i i i Кафедра нормальной физиологии i i i

i i i i i ++++ -50 m. V -70 m. V Вольтметр - - -i i i И. В. Мирошниченко i Кафедра нормальной физиологии i i i

i i i i Кафедра нормальной физиологии i i И. В. Мирошниченко i i i i

i i i 37, 4°С 40, 4°С i i i термометр i i i И. В. Мирошниченко i Кафедра нормальной физиологии i i i

Механизмы формирования МП. 1. Ионный. 2. Насосный. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Ионный механизм формирования МП. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

До момента созревания (происходит на 2 -3 месяце эмбрионального развития) нейрон не имеет заряда, и количество положительных (прежде всего, К+) и отрицательных ионов в его цитоплазме примерно одинаково. межклеточная среда внутриклеточная среда Признак созревания – появление на мембране нейрона постоянно открытых К+-каналов (определяется включением соотв. гена). И. В. результате В Мирошниченко Кафедра нормальной становится возможной диффузия К+ из клетки. физиологии

Как долго идет диффузия К+ из нейрона? Очевидный вариант «до выравнивания концентраций» ) неверен ! К+ ОА К+ К+ межклеточная среда К+ К+ ОА ОА К+ К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ внутриклеточная среда ОА К+ К+ Кафедра нормальной физиологии К+ ОА

При диффузии ионов К+ в клетке увеличивается доля отрицательного заряда, а вне клетки положительного. К+ К+ К+ ОА К+ межклеточная среда внутриклеточная среда ОА ОА К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ ОА К+ К+ Кафедра нормальной физиологии К+ ОА

Повышающаяся разность потенциалов между внутри- и вне- клеточной средой приводит к появлению и увеличению ЭДС. К+ К+ К+ ОА К+ ЭДС межклеточная среда внутриклеточная среда ОА ОА К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ ОА К+ К+ Кафедра нормальной физиологии К+ ОА

ЭДС препятствует диффузии и в конце концов останавливает её. Возникает состояние «динамического равновесия» : число ионов К+, покинувших клетку благодаря диффузии равно числу ионов К+, втянутых в клетку ЭДС. К+ К+ К+ ОА К+ ЭДС межклеточная среда внутриклеточная среда ОА ОА К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ ОА К+ К+ Кафедра нормальной физиологии К+ ОА

«Уравнение Нернста» : Равновесный потенциал Ер Е к= RT ZF ln К+out К+in С учетом этого МП = -91 м. В ( «равновесный потенциал» для К+) Вальтер Нернст И. В. Мирошниченко (Ноб. пр. 1921) Кафедра нормальной физиологии

Такой вход Na+ ведет клетки определяется разностью Диффузия K+ из к сдвигу заряда цитоплазмы вверх + и частичной потере ПП (отсюда название+– «ток утечки» Na ). 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 МП (произойдет сдвиг заряда цитоплазмы вверх до достижения новой точки равновесия). Если снизить К+out , то разность концентраций станет больше, диффузия – сильнее, и для ее остановки потребуется более значительный МП (сдвиг заряда цито- показания вольтметра, м. В 0 плазмы вниз). МП Этот график можно получить в эксперименте, но в реальном мозге в норме такого не Кафедра нормальной И. В. Мирошниченко увеличение происходит физиологии К+out время, мин снижение К+out

В реальной клетке МП находится ближе к нулю (в среднем -70 м. В). Причина: существование небольшого количества постоянно открытых каналов для ионов Na+. К+ К+ К+ ОА К+ ЭДС межклеточная среда внутриклеточная среда ОА К+ К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ ОА К+ К+ К+ Кафедра нормальной физиологии ОА

Избыток ионов Na+ в межклеточной среде, а также их притяжение к отрицательно заряженной цитоплазме приводят к входу Na+ в клетку. Na+ К+ К+ К+ Na+ К+ К+ ОА Na+ ЭДС межклеточная среда Na+ внутриклеточная среда ОА К+ К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ Кафедра нормальной физиологии Na+ ОА ОА

Такой вход Na+ ведет к сдвигу заряда цитоплазмы вверх и частичной потере МП (отсюда название – «ток утечки Na+ » ). Na+ К+ К+ К+ Na+ К+ К+ ОА Na+ ЭДС межклеточная среда Na+ внутриклеточная среда ОА К+ К+ К+ И. В. Мирошниченко К+ К+ Кафедра нормальной физиологии Na+ ОА ОА

с большим числом вверх + ведет к сдвигу заряда цитоплазмы. Na Такой вход+Naклетку. Нейрон Апрежде всего, от концентра. Диффузия Na в зависит, каналов название – «ток утечки» Na+). и частичной потере ПП (отсюдаимеет высокую возбудимость ции постоянно открытых Na+-каналов на мембране. Эта величина является Нейрон Б со средним числом Na+стабильным свойством каналов имеет среднюю возбудимость конкретного нейрона. + Нейрон В с малым числом Na+каналов имеет низкую возбудимость показания вольтметра, м. В 0 -50 -60 -70 -80 время, мин Пороговый потенциал 10 м. В Пороговый потенциал 20 м. В МП нейрона А МП нейрона Б МП нейрона И. В. Мирошниченко В Кафедра нормальной физиологии Пороговый потенциал 30 м. В

Насосный механизм формирования МП. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Электрогенность Na+-K+-АТФазы (Na+-К+-насоса). К+ + К Na+ + Na межклеточная среда внутриклеточная среда К+ + К Na+ + Na И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Работа Na+-K+-АТФазы может быть нарушена химич. веществами, например, токсином одной из тропических лиан строфантином. В этом случае ток утечки Na+ не будет полностью компенсироваться и МП сместится в сторону нуля (степень смещения зависит от дозы токсина = доля заблокированных насосов). Большая доза токсина настолько нарушает работу Na+-K+-АТФаз, что МП теряется (происходит «разрядка батарейки фонарика» ). показания вольтметра, м. В 0 МП Аналогия: Na+-K+-насос = «за. И. В. Мирошниченко Кафедра рядное устройство» нейрона нормальной физиологии Strophanthus kombe Введение строфантина время, мин

В целом МП зависит от 3 х главных факторов: - диффузии K+ из клетки; - диффузии Na+ в клетку; - работы Na+-K+-АТФазы. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

аналогия: лодка на поверхности водоема. Уровень воды = нулевой уровень Уровень бортов над водой = МП (зависит от «веса лодки» = разность концентраций К+ во внешней среде и цитоплазме). Na+-K+-АТФаза – помпа, которая Ток утечки Na+ = отверстия в выкачивает воду, удерживая лодке, через которые втекает лодку на плаву ( «поломка помпы» вода и снижает абсолютное стофантином приведет к тому, значение МП что лодка утонет) (приближая его к 0). ПП И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии ток утечки

Мембранный потенциал Потенциал покоя И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии Потенциал действия

Потенциал действия И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

ПД м. В 0 биоусилитель -50 Локальный ответ +30 порог запуска ПД КУД Потенциал покоя время, мс -70 И. В. Мирошниченко 5 10 15 20 25 30 35 м. В м. В Сверхпороговые Подпороговые стимулы Кафедра нормальной физиологии Пороговый стимул Электростимулятор 38

Мембранный потенциал, м. В 4 +30 0 1. потенциал покоя 2. электротонический потенциал или медленная деполяризация 3. быстрая деполяризация 4. овершут или инверсия заряда 5. быстрая реполяризация 6. следовой потенциал a) следовая деполяризация (медленная деполяризация) b) следовая гиперполяризация 5 3 6 1 2 КУД b -60 МП a 0 И. В. Мирошниченко 1 2 Кафедра нормальной Время, мс физиологии 3 4

4 Мембранный потенциал, м. В +30 0 5 3 1 -60 6 2 b КУД МП a 0 1 3 2 4 Время, мс Проницаемость мембранный g. Na+ И. В. Мирошниченко g. K+ 0 Кафедра нормальной 1 2 физиологии Время, мс 3 4

Восходящая фаза (деполяризация): преобладание входящих в клетки Na+токов. Нисходящая фаза (реполяризация): преобладание выходящих из клетки К+токов. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

В основе этих процессов лежит открывание и закрывание электрочувствительных Na+- и К+-каналов. Эти каналы имеют створки, реагирующие на изменение заряда внутри нейрона и открывающиеся, если этот заряд становится выше -50 м. В. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

++ -45 m. V -70 m. V Вольтметр + ОА + + + И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии + + + ОА ОА ОА + +

Если заряд внутри нейрона вновь ниже -50 м. В – створка закрывается, т. к. положительные заряды, расположенные на ней, притягиваются к отрицательно заряженным ионам цитоплазмы. Положительные заряды створки – это заряды аминокислот, входящих в состав соответствующей молекулярной петли белка-канала. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Открытие потенциалзависимого Na+ -канала «разрешает» вход Na+ в клетку. Открытие электрочувствительного К+-канала «разрешает» выход К+ из клетки. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

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 И. В. Мирошниченко нейрона нормальной Кафедра до уровня ПП. физиологии

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. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Для закрытия Na+-каналов на пике ПД служит дополнительная (внутриклеточная, инактивационная, И-) створка – h-ворота. Вторая створка (активационная, А-) – m-ворота. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

3 1 5 3 2 4 1 = 5 = ПП (большая h-створка открыта, ма-50 м. В лая m-створка закрыта); 2 = малая m-створка открылась, входит Na+; 3 = большая h-створка ПП закрыла канал; 4 = малая m-створка вернулась на место; 1 5 = канал вернулся в И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной исходное положение. физиологии 2 4 5 49

Рефрактерность (от франц. refractaire - невосприимчивый), кратковременный период полного исчезновения или снижения возбудимости нервной и мышечной тканей, наступающий после их реакции на какое-либо раздражение. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Период относительной рефрактерности (для возбуждения требуется пороговый стимул больший по силе, чем обычно) Мембранный потенциал, м. В Период абсолютной рефрактерности (полная нечувствительность к стимуляции из-за закрытой h-створки) +30 0 КУД -60 МП 0 И. В. Мирошниченко 1 3 2 Кафедра нормальной физиологии Время, мс 4

И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Лабильность • (лат. labilitas лабильность, неустойчивость) • функциональная подвижность • понятие в физиологию ввёл в 1892 г. русский физиолог • Николай Евгеньевич Введенский • (1852 -1922). И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Лабильность • Этим понятием в настоящее время обозначается скорость протекания элементарных физиологических реакций (циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях), которая определяет функциональное состояние живого субстрата. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Лабильность • Мерой является наибольшая частота раздражения ткани, воспроизводимая ею без преобразования ритма. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Лабильность • отражает время, в течение которого ткань восстанавливает работоспособность после очередного цикла возбуждения. И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

Итак, мы познакомились с общими принципами генерации ПД. Следующие три вопроса: [1]. 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? И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной физиологии

электрочувствительны й +-канал Na И. В. Мирошниченко В результате действия токсина прекра- 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). Кафедра нормальной физиологии тетродотоксин – яд рыбы фугу (аминогруппа работает как «пробка» для Na+-канала) 58

ТЕА – тетраэтиламмоний: работает как «пробка» по отношению к К+-каналу. В результате восходящая фаза ПД изменяется мало, нисходящая – затягивается до 50 и > мс (реполяризация происходит за счет постоянно открытых К+-каналов, которых примерно в 100 раз <, чем электрочувствительных); ТЭА вызывает глубокую потерю сознания. «затянутый» ПД на фоне ТЕА: 50 мс И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной ПД в норме: 1 физиологии мс

от рисунок – из предыдущей лекции. Однако он подходит для иллюстрации как вклада Na+-K+-АТФазы в поддержание ПП, так и ее важнейшей роли в «ликвидации последствий» ПД. - электрочувствит. Na+-каналы - электрочувствит. К+-каналы 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 И. В. Мирошниченко Кафедра нормальной работает насос. физиологии 60 внутриклеточная среда