Лекции 10-11. Биофизика возбудимой клетки
реклама
Мембранный потенциал и потенциал действия Мембранный потенциал нервной клетки А.Пассивный (электротонический): 1.Характеристика мембраны: V=IR(1‐e –t/RC); 2. кабельные свойства мембраны: V(x)= Voe‐x/ Б. Активный 1.Локальный потенциал 2.Рецепторный потенциал; 3.Постсинаптический потенциал (ВПСП, ИПСП)) 4.Потенциал действия; 5.Следовая гиперполяризаця 6.Следовая деполяризация Локальный ответ, потенциал действия и следовые потенциалы Свойства электротонического потенциала и локального потенциала нервной клетки Свойства Электротонический потенциал Локальный потенциал Амплитуда Линейная зависимость от силы тока Нелинейная зависимость от силы тока При раздражен ии участка мембраны Растет и спадает по экспоненциальной зависимости со скоростью , определяемой ‐RC Растет по S‐ разной кривой Свойства локального потенциала и потенциала действия Свойства Локальный потенциал Потенциал действия Динамика : нарастание сменяется снижением + + Снижение сопротивления мембраны + + снижение возбудимости рефрактерность Порог ‐ + Абсолютная рефрактерность ‐ + Способность суммироваться + ‐ Правило «все или ничего» ‐ + Последствия Ионные токи и воротный механизм канала Ионные токи gNa= GNa m3 h; gK = GK n4 GNa ‐максимальная проводимость канала; m‐ вероятность открытого состояния канала; h – вероятность закрытого состояния канала; GK – максимальная проводимость канала; n – вероятность открытого состояния канала Следовые потенциалы − Модель межклеточных взаимодействия [K]W) ‐ диффузия иона между компартментами экстраклеточной среды; W Проведение ПД от P‐ нейрона регулируется как внешним сигналом, так и активностью R‐ клетки. Физико‐химические изменения в аксоне при потенциале действия Физико‐химические свойства мембраны в различные фазы ПД Физический процесс Фаза потенциала действия Возможные изменения мембраны Положительная теплопродукция, 10‐ 12 мккал/г за 25 мсек. деполяризация Уменьшение энтропии и увеличение упорядоченности компонентов мембраны Усиление рассеяния света (под углом 90 о) за мкс деполяризация Увеличение вязкости липидов Уменьшение рассеяния света ( под углом 10‐25 о) за 25 мс деполяризация Увеличение гидратированности мембранных белков Ослабление интенсивности поляризованного света за 40 мс (увеличение no‐nнo) деполяризация Увеличение толщины или ориентированности белков мембраны Увеличение интенсивности поляризованного света за 2 мс (снижение no‐nнo) гиперполяризация Дислокация белков в мембране Перераспределение зарядов в мембране(воротный ток),0,13 пкА/ мк2 Изменение проводимости мембраны Конформационные изменения: перемещения фиксированных заряженных групп Физико‐химические свойства аксолеммы Анализ спектров комбинационного рассеяния белков и липидов Физико‐химические свойства аксолеммы Локализация каротиноидов в миелиновом нервном волокне Изменение конформации каротиноидов в миелиновом нервном волокне Изменение конформации каротиноидов при активации Са‐ насоса саркоплазматического ретикулума Физико‐химические свойства аксолеммы Формирование кластеров в нервном волокне Церебральный ганглий и нервы пиявки Механическая стимуляция Цефалические нервы Химическая стимуляция Температурная стимуляция Изменение амплитуды ПД и мембраносвязаного Са 1 min Nerve action potentials conduction I/I0 (CTC) аксона при термостимуляции t, min t, min Frequency of action potential conduction during skin thermostimulation Changes of contents of membrane bound Ca nerve fiber during skin thermo-stimulation (red curve) In all cases – OX is time, min Contents FAD+ potential of itochondria membrane potential ,mV to,C Membrane bound Са2+ Изменения мембранного потенциала, поверхностного заряда (мембраносвязанный Са2+ ) и потенциала внутренней мембраны митохондрии нейрона при стимуляции А I/I0 Rh123 I/I0CTC Изменения состояния нейрона при химической (A) и механической (B) стимуляции Content of membrane bound Са2+ Frequency (imp/min) of neuron AP conduction Mitochondria inside membrane potential 50 мV I/I0 CTC B 10 s Frequency (imp/min) of neuron AP conduction Barrows and stars - moment of stimulation Content of membrane bound Са2+ Вызванная (А) и спонтанная (Б) активность нейрона (vcp) при при электростимуляции нейрона (lcp) Уровень мембраносвязанного Ca2+(A) и вязкости (B) плазматической мнмбраны нейрона при действии серотонина ( 5-НТ ((10-4 M (1) and 10-3M (2)), отмывка (3). A B интенсивность флуоресценции, отн. ед. интенсивность флуоресценции, отн. ед. 2 1,3 1,3 1,1 1,1 0,9 0,9 0,5 20 30 40 время ,мин 50 1 60 0,5 5 10 time, min Barrows - moment of stimulation 3 2 0,7 3 5 10 2 1 1 0,7 1 1,5 2 1,5 20 30 40 время ,мин 50 5-НТ 60 3.Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия нервной клетки Распределение митохондрий в нейронах в составе нервного ганглия пиявки H.medicinalis Распределение митохондрий в миелиновом нервном волокне лягушки R.temporaria Распределение внутриклеточного Са2+ (A) и потенциала внутренней мембраны митохондрии (B) вдоль нейрона (Rz) при действии глютамата A. [Ca2+] in Gl Gl (10-4 M) changes potential of Mh and it depend on localization Mh in a cell. Apparently, the given fact is connected to various Са 2+ influx in Mh [Collins, 2001]. B. PIMM Cell profile, mkm Действие NO на распределение потенциала внутренней митохондриальной мембраны по клетке А. Контроль Б. 2 мин спермин/NO А В. 7 мин спермин/NO Физико‐химические свойства аксона Лазерная интерференционная микроскопия миелинового нервного волокна Физико‐химические свойства аксона при проведении серии потенциалов действия Аксон-Шванновская клетка взаимодействия internode juxtaparanode paranode node б 106 1,10 ТЭА 104 1,08 102 * 1,06 100 * в Контроль ТЭА * 140 120 T2, % 110 1,02 96 100 1,00 94 90 0,98 92 90 -5 0 5 Время,мин 10 15 20 80 0,96 70 0,94 60 0,92 * 130 1,04 98 -10 I1524/I1151, отн. ед. а Интенсивность флуоресценции ХТЦ, % Динамика изменения уровня Са2+мс , вязкости и гидратированности миелина волокна при блокировании К‐каналов (ТЭА). 0 1 7 13 Время,мин 19 контроль ТЭА, 10(-2)М Схематическое изображение безмиелинового (А) и миелинового (Б) нервного волокна а цитоплазма мезаксон осевой цилиндр насечка перехват МПС цитоплазма миелин осевой цилиндр б Фазовое изображение миелинового нервного волокна Сечение (верхний ряд), соотношение различных компонентов (средний ряд) и сечение фазового изображения (нижний ряд) различных участков нервного волокна. Коричневым отражается мембрана, серым цитоплазма, белым окружающая среда безмиелиновое волокно миелиновое волокно насечка перехват МПС Типичное изображение немиелинового нервного волокна. Световое изображение (а), трехмерное фазовое изображение (б), фазовое изображение нервного волокна (в), профиль фазового изображения волокна 50 OPD, nm 40 30 20 10 10 m 0 0 10 20 width, m 30 Изображение миелинового нервного волокна насечка 9 11 5 3 12 10 7 2 1 4 6 8 II III I III Продольное сечение миелинового нервного волокна incisure of neurilemma 200 OPD, nm 150 100 50 Ranvier's node 0 0 20 40 length, m 60 80 1 2 Флуоресцентная фотография миелинового нервного волокна Митохондрии максимально распределены в аксоплазме под насечками (2), чем под компактным миелином (1) Juxtaparanode Амплитуда колебаний, nm Амплитуда колебаний, nm Протеолиз влияет на динамику изменения фазовой высоты нерва Частота колебания фазовой высоты, Гц Частота колебания фазовой высоты, Гц Амплитуда колебаний, nm Амплитуда колебаний, nm Частота колебания фазовой высоты, Гц Paranode Частота колебания фазовой высоты, Гц Протеолиз вызывает изменения в динамике изменения фазовой высоты в юкстапаранодальной и паранодальной областях нервного волокна Действие протеолиза на возбудимость нерва и микровязкость аксолеммы ко н т р о л ь П роназа E 1 ,4 1 ,2 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 Контроль Проназа Е * 1,12 I1524/I1151, отн. ед. Значение величины, усл.ед. 1 ,6 1,10 * 1,08 1,06 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0 2 4 6 8 10 12 14 Время, мин 0 ,0 А м п л и т уд а П Д С ко ро сть п р о в е д е н ия П Д Протеолиз вызывает измения амплитуды ПД и скорости проведения ПД Протеолиз приводит к увеличению микровязкости аксолеммы Изменение возбудимости миелинового волокна при действии пХМБ контроль пХМБ 110 1,2 б а 115 пХМ Б 105 Амплитуда ПД, отн. ед. а Интенсивность флуоресценции ХТЦ, % 1,3 100 95 90 85 80 75 -5 0 5 10 0 0,8 0,7 * 0,6 0,5 0,4 20 40 60 Время, мин * г контроль * 0,9 0 пХМБ, 10(-4) М 40 мин Скорость проведения, отн.ед. T 2, % в 1,0 0,3 15 Врем я, м ин 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 1,1 1,25 * контроль пХМБ 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0 10 20 30 Время, мин 40 50 60 Изменения диаметра МНВ, ОРХ аксона и микровилли (МВ), длины ПР) (а) и области компактного миелина (диаметра МНВ, диаметра аксона, ОРХ миелина и аксона) (б) при действии проназы Е, пХМБ и ТЭА. контроль пХМБ проназа ТЭА 3,5 3,0 2,5 2,0 1,0 * 0,5 * 0,0 диаметр МНВ ОРХ аксона компактный миелин * перехват Ранвье ОРХ МВ 1,4 Значение параметра, отн. ед. Значение параметра, отн. ед. 4,0 длина 1,2 контроль пХМБ проназа ТЭА * 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 диаметр МНВ диаметр аксона ОРХ миелина ОРХ аксона Лазерная интерференционная микроскопия Dynamics of regular changes neuron cytoplasm optics properties Regular changes of molecular and cellular processes out cell inside cell Complex reorganization of a plasma membrane 0,1 -2Hz Activity of potential - dependent Са 2+ channal 0,2-0,4 Hz Spontaneous rhythmic activity of Rz-cell 0,2 Hz Rhythmic activity of Rz-cell at a stimulation 0,4 - 0,5 Hz Subthreshold changes of membrane potential 0,8-1,0 Hz Changes of a light scattering and volume of nerve fibril 1-20 Hz Actin phylaments movements 3 Hz Vesicles movements 8-40 Hz ((E.L. de Beer, Cell Motil., 1997), L.B. Kohen, Biophys. J., 1970) Физико‐химические свойства нейрона при изменении мембранного потенциала и действии нейромедиатора Действие оксида азота на нейрон (LYMNAEA STAGNALIS) Fourier-spectrum before (a) and after (b) SNP addition, donor NO Lens magnification 27x, NA=0,15, wavelength of the laser beam is 532 nm a 0 5 mkm 10 b 20 mkm 0 5 mkm 10 20 mkm Динамика оптических свойств ОРХ Динамика Структура /сложная, многокомпонентная/ Ритмическая /Колебания, движения регулярных структур/ Хаотическая Вейвлеты /нестационарные взаимодействующие ритмы/ Амплитудная (а) и частотная (б) модуляция изменения состояния цитоплазмы миелинового нервного волокна (перехват Ранвье) Амплитудная модуляция Частотная модуляция Black solid — 0.8 Hz; grey solid — 1.0 Hz; dashed — 1.5Hz Распределения главных частот амплитудной модуляции ритма 1 Гц при К+-деполяризации (А) и действии валиномицина (Б) ○ Контроль ● KCl (30 ммоль/л) ○ Контроль ● Валиномицин (1 мкмоль/л) Перераспределение и транспорт кальция в миелиновом нервном волокне Перераспределение ионов кальция в миелиновом нервном волокне Роль Шванновской клетки в перераспределении межклеточного кальция Динамика пассивного и активного транспорта ионов кальция во фракциях нервного волокна Роль ионов кальция и АТФ в регуляции аккумуляции Са2+ в нерве Ca‐канал и Na/Ca – обмен в миелиновом нервном волокне Ca‐канал и Na/Ca – обмен в миелиновом нервном волокне Транспорт протона в нервной клетке Патология аксона Функциональное нарушение проявления Травма аксона и нейрона Регенерация, лизис, рост Дегенерация аксона нарушения цитоскелета Демиелинизация ‐дефицит миелина; ‐разрушение миелина; ‐демиелинизация Диффузное расстройство аксонов Нарушения аксонов из‐за патологии мозга Патологическая (повышенная) возбудимость травмированного аксона ‐Спонтанная ритмическая активность нерва; ‐механочувствительность; ‐‐активация натриевый каналов Патофизиология аксона свойства ‐Белки цитоскелета и аксональный транспорт; ‐‐ фактор роста и его рецепторы; ‐‐метаболизм липидов, гликолиз, транскрипция РНК; ‐‐ изменения синтеза нейромедиаторов; ‐‐нарушения нейро‐глиальных взаимоотношений; ‐‐межклеточная сигнализация; ‐Нарушения иммунной системы; ‐‐дифтерийный токсин; ‐‐лизолециитин; ‐‐ болезнь Лайма( борелиоз); ‐‐хроническая ДМ (диабет, травма) ‐Роль ионов кальция; ‐‐дифференциация и изменение числа синаптических входов; ‐диагностика электровозбудимости нерва ( амплитуда и скорость проведения ПД); ‐артефакты; ‐‐ тестирование индивидуальных нервов; Патофизиология нейронов ЦНС ‐рассеянный склероз; ‐нарушения синаптической передачи; Миелопатия ‐ Исследование с помощью ЯМР –томографии ( время процесса; изменения морфологии) Патология ПНС Нейропатии ( фокальные и мультифокальные); ‐чувствительность; ‐ размеры волокон; ‐‐демиелинизация; ‐‐диагностика; Болезнь Лайма Сердце Суставы Болезнь Лайма Кожа Нервная система Демиелинизация Локализация белка OspA вдоль нервного волокна Нервное волокно, световая микроскопия, увеличение x60 Локализация OspA вдоль нервного волокна, флуоресцентная микроскопия, увеличение x60 Автофлуоресценция, флуоресцентная микроскопия, увеличение x30 Фотография перехвата Ранвье в проходящем свете. а – до инкубации с ПБ, б – после инкубации с ПБ (Mr9). ПР – перехват Ранвье, МПС – межперехватный сегмент. Увеличение ×60. 1,3 контроль OspA 1,2 1,2 Микровязкость, отн.ед. Значение величины, усл. ед. OspA влияет на возбудимость нерва и микровязкость аксолеммы 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,0 Амплитуда ПД Скорость проведения ПД Действие OspA уменьшает амплитуду ПД и скорость проведения ПД 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Контроль OspA Действие OspA уменьшает микровязкость аксолеммы Мембраносвязанный Ca2+ в нервном волокне Локализация мембраносвязанн ого Ca2+ вдоль нервного волокна, флуоресцентная микроскопия, увеличение x60 Интенсивность флуоресценции хлортетрациклина, усл.ед. Нервное волокно, световая микроскопия, увеличение x60 1,15 1,10 OspA 1,05 Перераспределение мембраносвязанного Ca2+ в нервном волокне после действия OspA 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 5 10 15 Время, мин. 20 25 Предполагаемая схема действия OspA на нерв Уменьшение скорости проведения ПД OspA OspA Изменение липид-липидных и белок-белковых взаимодействий в миелине приводит к декомпактизации слоев миелина OspA OspA адсорбируется на нервном волокне Увеличение трансмембранного потенциала аксолеммы Уменьшение микровязкости аксолеммы Уменьшение амплитуды ПД Перераспределение мембраносвязанного Ca2+ в нерве: часть Ca2 + миелина связывается с аксолеммой Увеличение трансмембранного потенциала аксолеммы приводит к уменьшению числа активированных Na+-каналов Ca2 + Ca2 + Адсорбция OspA вызывает перераспределение мембраносвязанного Ca2+ в нерве Na+Ch Уменьшение числа активированных Na+-каналов
