Физиология возбудимых клеток. Мембранный потенциал

1

Ловать Максим Львович,ст.преп. каф. физиологии человека и животныхбиологического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова

Lovat@mail.ru

Физиология Физиология возбудимых возбудимых

клеток. клеток. Мембранный Мембранный

потенциалпотенциал

2

Типы возбудимых Типы возбудимых клетокклетокНейроныНейроны Мышечные клетки

Секреторные клетки Рецепторные клетки

3

Строение животной Строение животной

клеткиклетки

4

Особенности строения Особенности строения нейронанейрона

5

ВидыВиды нейроновнейроновА — веретенообразный (кишечнополостные);Б — псевдоуниполярный (сенсорный нейрон позвоночных); В — мультиполярный (позвоночные); Г — типичный нейрон центральной нервной системы беспозвоночных

Срез нервного волокна

6

Формирование Формирование трансмембранного трансмембранного

потенциалапотенциалаА. в чашке ПетриА. в чашке Петри

KClK+ Cl-

Градиент концентрации Градиент заряда

равновесие

7

Рассчет заряда на Рассчет заряда на мембранемембране

Равновесный потенциал для какого-либо иона Х можно Равновесный потенциал для какого-либо иона Х можно рассчитать из уравнения, полученного в 1888 году рассчитать из уравнения, полученного в 1888 году немецким физическим химиком немецким физическим химиком Walter NernstWalter Nernst на на основании принципов термодинамики.основании принципов термодинамики.

Где Где RR – газовая постоянная, – газовая постоянная, Т – температура (по Кельвину), Т – температура (по Кельвину), zz – валентность иона, – валентность иона, FF – константа Фарадея, – константа Фарадея, [Х]о и [Х][Х]о и [Х]ii – концентрации ионов по разные стороны – концентрации ионов по разные стороны

мембраны. мембраны.

Уравнение Нернста можно использовать для расчета Уравнение Нернста можно использовать для расчета

равновесного потенциаларавновесного потенциала любого любого иона по обе стороны мембраны, иона по обе стороны мембраны, проницаемойпроницаемой для для данного иона.данного иона.

i

oR X

X

zF

RTE ln

Ек=-85 мв при К+ соотношении 1\30

8

Б. мицеллаБ. мицелла – – синтетический прообраз синтетический прообраз клетки клетки

К+К+А-

_

+ К+

9

Мембрана живой клеткиМембрана живой клетки

К+

Na+Са++

10

Равновесные Равновесные потенциалы(Е) Движущая потенциалы(Е) Движущая

сила сила ((VV- Е)- Е)K+-95

K-каналы

Na++67

Na-каналы

Ca+++123

Ca-каналы

Cl--89 - 47

Cl-каналы

11

Мембрана Мембрана живой клетки живой клетки полупроницаемаполупроницаема

-61

К+

Na+

= 0,023 рК

Са++

рСа++ = 0

Cl-

12

Проницаемость Проницаемость обеспечена ионные обеспечена ионные каналами мембраныканалами мембраны

1-1000 каналов на квадратный микрометр мембраны

ЦентральнаЦентральная водная я водная порапора

Устья Устья канала: канала: селективный селективный фильтрфильтр

Ворота: Ворота: проницаемоспроницаемость может ть может меняться!меняться!

13

Создание градиента Создание градиента концентрацииконцентрации::

1. 1. Na-K Na-K АТФ-азаАТФ-аза2. ионные обменники2. ионные обменники

Транспорт 3 Na/2K за счет энергии 1 АТФ (расход до 1/2 энергии нейрона)

а.Симпорт

б.Антипорт

14

Изменения Изменения мембранного мембранного

потенциала покояпотенциала покоя 1. 1. ДеполяризацияДеполяризация- уменьшение - уменьшение ((ее скорость определяется постоянной времениее скорость определяется постоянной времени

(m=RmCm)) 2. 2. ГиперполяризацияГиперполяризация- увеличение- увеличение 3. 3. РеполяризацияРеполяризация- возвращение к - возвращение к

исходному уровнюисходному уровню

0

МПП

Время

-30

-60

-90

Деполяризация Реполяризация

Гиперполяризация

1

2

15

Внутриклеточная Внутриклеточная регистрация мембранного регистрация мембранного

потенциала покояпотенциала покоя

Внутриклеточная Внутриклеточная микроэлектродная микроэлектродная регистрациярегистрация

Величина МПП в Величина МПП в возбудимых клетках –возбудимых клетках –

от -60 до -90мВот -60 до -90мВ

А Б

0

-30

-60

Введение электрода

Мембранный потенциал покоя

Время

А

Б

16

Потенциал действияПотенциал действия

Фаза деполяризации

Фаза реполяризации

Раздражающийимпульс

17

Временной ход ионных токов во Временной ход ионных токов во время время

потенциала действияпотенциала действия

Na+

K+

18

Фармакологическое Фармакологическое разделение ионных токов разделение ионных токов

ядамиядамиконтроль

Калиевый ток

Натриевый ток

Выводы

Входящий ток переносится ионами натрия, а выходящий – ионами калия.

Натриевый ток развивается быстро, а калиевый – медленно.

Натриевый ток быстро уменьшается (инактивация), а калиевый - нет

19

Фазы потенциала Фазы потенциала действиядействия

1- порог (около 50 мв, ток Na>K)

2- деполяризация 0,5 мс (вход Na)

3- овершут (перелет)

4- реполяризация 0,5- 1мс (блок Na, активация К токов)

5-следовая гиперполяризация, до 3 мс (ток К)

3-5 - период рефрактерности (блок Na, активация К токов)

Амплитуда ПД нейрона – около 110 мв

1

2

3

4

5

20

Вызывается сверхпороговым раздражениемВызывается сверхпороговым раздражением

Амплитуда не зависит от силы раздраженияАмплитуда не зависит от силы раздражения

Распространяется по всей мембране не Распространяется по всей мембране не затухаязатухая

Связан с увеличением ионной проницаемости Связан с увеличением ионной проницаемости мембраны (открытием ионных каналов)мембраны (открытием ионных каналов)

Не суммируетсяНе суммируется

Свойства Свойства потенциала действияпотенциала действия

21

Исследование отдельного Исследование отдельного каналаканала

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

Метод локальной фиксации потенциала «пэтч-кламп»

22

Нобелевская премия 1991 года в Нобелевская премия 1991 года в области физиологии и медициныобласти физиологии и медицины

Эрвин Нейер и Берт Сакманн

«за открытия в области работы одиночных ионных каналов»

23

Канал имеет воротный Канал имеет воротный механизммеханизм

1- покой2-деполяризация3-рефрактерность

Динамика открытия ворот 1 2 3

За один ПД входит в клетку 1012 ионов Na+ (рост внутриклеточной концентрации 0,7%)

24

Молекулярные механизмы Молекулярные механизмы активации и инактивацииактивации и инактивацииу большинства каналов у большинства каналов общиеобщие

H

M

25

Работа Работа Na+Na+ канала канала

26

Белковая структураБелковая структура канала:канала:

4 4 доменадомена из 6 сегментов каждый из 6 сегментов каждый

Структура Cl- канала (консервативны!)

S4-воротный механизм, S5 и S6 – пора, между 3 и 4 доменом – «шар на цепи»

27

Рефрактерность -Рефрактерность -снижение способности клетки отвечать на снижение способности клетки отвечать на раздражение в результате раздражение в результате временной временной инактивацииинактивации натриевых каналов натриевых каналов

Абсолютнаярефрактерность

Относительнаярефрактерность

Абсолютная рефрактерность

Генерация ПД невозможна

Вызвана инактивацией большинства Na каналов

Относительная рефрактерность

Генерация ПД возможна при увеличении интенсивностираздражителя

Связана с тем, что:

1. Некоторая часть Na+ каналов все ещеинактивирована 2. С усилением тока К+

28

Распространение потенциала действияРаспространение потенциала действия по волокнупо волокну

Тело Дендриты Аксон

Увеличение диаметра волокна повышает

скорость проведения:Постоянная длины волокна (от 0,1 до 1 см):

ток

Rm

Ri

λ =1/2 √(d*Rm/Ri)

29

Миелинизированные Миелинизированные волокнаволокна

Эстафетный (до 40 м/с) и сальтаторный

(до 120м/с)

механизмы распространения

возбуждения

30

Скорость проведения ПД по Скорость проведения ПД по разным типам волоконразным типам волокон

ТИП Функции волокна (выборочно) Средний

диаметр, мкмСредняя скорость провед., м/с

А α Двигательные, чувствительные волокна скелетных мышц

15 

100 (70–120)

А β Кожные сенсоры прикосновения и давления 8 50 (30–70)

А γ Двигательные волокна мышечных веретен 5 20 (15–30)

А δ Кожные афференты температуры и боли <3 15 (12–30)

В Симпатические преганглионарные волокна 3 7 (3–15)

С Кожные афференты боли 1 1 (0,5–2)

31

Виды Виды регистрации ПДрегистрации ПД

Внутриклеточная монополярная

Внеклеточная биполярная

32

ультраструктура каналаультраструктура канала