Название: «Молекулы и механизмы клеточной возбудимости

Название: «Молекулы и механизмы клеточной возбудимости»
Название на английском языке: Molecules and cell excitation mechanisms
Трудоемкость: 24 аудиторных часа (12 лекций). Форма отчетности – зачет. Аннотация
Известно, что возбудимость клетки проявляя в изменении мембранного потенциала и
формировании потенциала действия (ПД) или серии ПД, частота следования которых (а не
амплитуда ПД) является основным фактором передачи информации от клетки к клетке.
Важно, что для генерации и проведения одиночного ПД, формирующегося на фоне серии
ПД существенно не только активация макроскопических токов ионных каналов, но и
следовые потенциалы, которые зависят от метаболизма клетки. Эти процессы обусловлены
состоянием как экстраклеточных так и субклеточных структур. В курсе лекций
представлен анализ взаимосвязи между физико­химическими изменениями свойств
мембран нейронов и глиальных клеток и биоэлектрогенезом при ПД,их серии, при
синаптической передаче и формировании памяти. Специфическими молекулами
формирования биоэлектрогенеза являются ионные каналы (потенциалозависимые каналы и
лиганд­оперируемые каналы), ионные переносчики и транспортные АТФазы. Большое
значение для биоэлектрогенеза имеют различная локализация данных белков в возбудимой
клетке, изменения состава и упорядоченности «хвостов» жирных кислот липидов,
изменение поверхностного заряда на аксолемме, плазмолемме и миелине,
перераспределение ионов Са2+, а также специфические межклеточные взаимодействия
между нейронами и глиальными клетками — астроцитами, олигодендроцитами и
Шванновскими клетками.
В курсе лекций представлены новейшие данные из областей нейробиофизики и
нейрофизиологии, демонстрирующие тесную взаимосвязь меж­и внутриклеточных
процессов в нервных и глиальных клетках, обеспечивающих электрическкую активность
нейронов, синаптическую передачу и формирование новых связей между нейронами.
Дополнительный акцент делается на разнообразные современные методы исследования и
теоретические
подходы
к
исследованию
электрической
активности.
Рассматриваетсяважная роль процессов перераспределения и транспорта ионов Са2+
в нейронах и глиальных клетках как при возбуждении нейронов и синаптической передаче,
при действии нейромедиаторов и сигнальных молекул (ацетилхолин, глутамат, серотонин,
NO и АТФ). Формирование и динамика совокупности описанных молекулярных процессов
возбудимой клетки имеет исключительное значение для понимания процессов
возбуждения, адаптации,возникновения и поддержания памяти, а также причин
патологии нервной системы.
Программа
План лекций
Лекция 1. Феноменология электрической активности возбудимой клетки
Спонтанная ритмическая активность нейронов, пачечная активность и проведение ритмического возбуждения в аксонах. Элементарный цикл ритмического ответа возбудимой клетки. Локальный ответ; потенциал действия; следовой потенциал: рефрактерность; супернормальная фаза; аккомодация. Типы возбудимых клеток (резонаторы и интеграторы). Кодирование информации при помощи потенциалов действия.
Лекция 2. Электрические свойства нервных клеток
Представление об эквивалентной схеме плазматической мембраны нейрона, аксона и
глиальной клетки (на примере астроцита). Формализм Ходжкина­Хаксли при
моделировании ритмической активности. Уравнения Нернста и уравнение постоянного
поля Гольдмана­Ходжкина­Катца; краткое описание типов возбудимости на примере
модели Ходжкина­Хаксли. Кабельные свойства волокон; постоянная длины l .
Зависимость l от радиуса волокна. Лекция 3. Транспорт ионов в возбудимых клетках клетках
Строение и систематика ионтранспортирующих систем возбудимой клетки.
Na ­канал, Na persistent ­канал, K­канал, КI­ канал, KF­ канал, Ks­канал Ks2­ канал, Kca­ канал,
KATP­ канал, Kflicker­ канал, Cl­канал, Ca­канал,; насосы: Na,K­АТФаза, Ca­АТФаза Н+­
АТФаза, ионообменники: Na/Ca­обменник, Na/H­обменник, NaK,2Cl­ котранспорт,
Na,HCO3 ­ обменник. Рецепторуправляемые каналы (ацетилхолиновый рецептор, типы
глутаматных рецепторов и т.д.). Способы регуляции активности ионных каналов,
обменников и АТФаз (влияние ионов Mg2+, Ca2+, липидного состава мембраны и вязкости,
роль клатеризации ионных каналов, обратимая химическая модификация ионных каналов,
обменников и АТФаз: фосфорилирование, нитрозилирование и т.д.)
Лекция 4. Электрофизиологические методы исследования активности нервных клеток
Методы изучения ионной проницаемости мембран. Метод фиксации тока и его
использование при изучении свойств мембран. Регистрация тока одиночных каналов и
токов целой клетки. Свойства открытых каналов. Основы ионной селективности.
Проницаемость и константа связывания иона в канале. Влияние блокаторов на
проводимость канала: определение числа участков связывания (уравнение Хилла и его
линеаризация). Мультиэлектродные ансамбли.
Лекция 5. Полные и упрощенные модели электрической активности нейронов Моделирование ионных токов в возбудимых клетках, видов возбудимости. Фазовые
портреты и бифуркации. Механизмы различных типов возбудимости, ответы на под­ и
надпороговое ритмическое и стохастическое возбуждение. Моделирование различных
видов каналов. Среда моделирования «NEURON». Лекция 6. Структура и функция мембран возбудимых клеток
Строение плазматической мембраны в нейронах, глиальных клетках. Строение миелина.
Методы исследования белок­липидных и структурных изменений мембраны:
теплопродукция, светорассеяние, двойное лучепреломление, ЯМР, ЭПР и
флуоресцентное зондирование, спектроскопия комбинационного рассеяния.
Кластеризация и подвижность мембранных белков на примере ионных каналов.
Распределение каналов, АТФаз и обменников в плазматической мембране тел нейронов, в
аксонах, дендритах, миелине и в глиальных клетках. Представление о теории “molecular
crowding”.
Лекция 7. Роль ионов кальция в нервной системе
Ионы Са2+ при проведении возбуждения в нейронах, астроцитах, олигодендроцитах,
Шванновских клетках и миелине. Механизмы перераспределения и транспорта
межклеточного и внутриклеточного Са2+; Са2+ ­волны, их происхождение и функции.
Пуринергическая сигнализация в нервных и глиальных клетках. Определение рСа с
помощью флуоресцентных зондов. Определение концентрации Са2+ по
экспериментальным данным. Лекция 8. Синаптическая передача и другие межклеточные взаимодействия при возбуждении
Строение и функции электрического и химического синапсов. Процессы, протекающие
при синаптической передаче. Функции нейромедиаторов (глутамат, серотонин,
адреналин, норадреналин, ГАМК, дофамин, нейропептиды) и их источник в нервной
системе. Роль сигнализации между аксоном и шванновской клетки в регуляции состояния
миелина; изменения аксонального транспорта и клеточного объема. Роль астроцитов в
синаптической передаче, теория “трехкомпонентного синапса”. Механизмы
возникновения памяти: активация генов, синтез новых белков, структурная
реорганизация мембраны в областях дендритных шипиков.
Лекция 9. Оптические методы исследования процессов в нервных клетках
Метод флуоресцентной микроскопии, классы флуоресцентных зондов и их применение.
Флуоресцентные зонды на ионы внутриклеточного Са2+, потенциал внутренней
митохондриальной мембраны и плазматической мембраны. Оптогенетика. Методы
исследования синаптической передачи и областей формирования длительной памяти.
Методы светорассеяния и комбинационного рассеяния света.
Лекция 10. Роль оксида азота (NO) в нервной системе
Источники NO в нервной системе, синтез, транспорт и хранение NO. Функции оксида
азота: регуляторная, сигнальная и патологическая. Механизмы действия оксида азота на
биомолекулы и клеточные мишени для оксида азота (ионные каналы и обменники, белки
дыхательной цепи митохондрий, цитоплазматические белки). Роль оксида азота в
длительной синаптической передаче, в модуляции и нарушениях метаболизма. NO­
опосредованная взаимосвязь нейронов, астроцитов, микроглии, гематоэнцефалического
барьера и эритроцитов. Возможные механизмы регуляции локальной концентрации О2 при
действии NO.
Лекция 11. Энергообеспечение возбудимости нервных клеток
Энергообеспечение электрической активности. “Бюджет” затрат АТФ на различные
клеточные процессы (потенциал покоя, локальные ответы, проведение птенциала
действия). Молекулярные механизмы работы АТФаз. Отличия в строении Na +­АТФазы и
H+­АТФазы. АТФазы Р­типа. Стадии цикла (связывание ионов, фосфорилирование белка,
конформационный переход). Na,K­насос. Схема Поста­Альберса. Парциальные реакции
цикла. Электрогенные стадии. Методы исследования (реконструированные системы,
флуоресцентные зонды). Схема работы кальциевого насоса саркоплазматического
ретикулума. Лактатный шаттл. Лекция 12. Специализированные нейроны и глиальные клетки
Примеры высокоспециализированных нервных клеток, их строение и функция. Нейроны
слуховой коры: сверхбыстрые ответы, тонотопические синапсы и ответ на скорость
изменения потенциала..Нейроны Пуркинье: вычисления на дендритах. Интернейроны:
синхронизация ансамблей нейронов и ритмы. Астроциты, отростки которых формируют
гематоэнцефалический барьер.
Список вопросов в билетах к зачету Билет № 1
1. Морфология возбудимой клетки. Типы возбудимых клеток и основные характеристики электрического ответа. Локальный ответ, потенциал действия, следовые потенциалы, аккомодация. 2. Типы и функции основных ионтранспортирующих систем возбудимой клетки.
Билет № 2
1.
Структура и функции плазматической мембраны возбудимой клетки. Методы
исследования физико­химических свойств мембран. 2.
Исследование свойств нервных клеток при помощи флуоресцентных зондов.
Применение оптогенетики в исследованиях синаптической передачи и формировании
памяти.
Билет №3
1.
Биофизические основы ритмического возбуждения. Микроскопические и
макроскопические токовые флуктуации. Флуктуации мембранного тока и активность
потенциалзависимых каналов. 2.
Перераспределение и транспорт кальция при ритмическом возбуждении.
Распределение кальция в миелиновом нерве. Межклеточные и внутриклеточные
механизмы перераспре­деления и транспорта кальция. Са2+ волны в астроцитах,
возникновение и функция.
Билет №4
1.
Биофизические основы синаптической передачи. Механизмы межклеточного действия
глутамата, ацетилхолина, серотонина и других нейромедиаторов. Удаление
нейромедиаторов из межклеточного пространства. Роль астроцитов в синаптической
передаче.
2.
Электрофизиологические методы исследования ионных каналов.
Билет №5
1.
Эквивалентная схема плазматической мембраны нейронов, аксонов и астроцитов.
Формализм Ходжкина­Хаксли.
2.
Основные нейромедиаторы и их механизмы действия.
Билет №6
1.
Локальный ответ и фазы потенциала действия. Следовые потенциалы. Зависимость
длительностей фаз потенциала действия от типов ионных каналов.
2.
Основные ионообменники и АТФазы возбудимой клетки. Билет №7
1.
Источники и роль оксида азота в нервной системе. Внутриклеточные “мишени”
оксида азота. NO­опосредованная связь между нервной и кровеносной системами.
2.
Энергообеспечение проведения ритмического возбуждения
Билет №8
1.
Методы исследования состояния плазматической мембраны при возбуждении клетки.
Функции кластеризации и подвижности мембранных белков. 2.
Основные типы К­каналов возбудимой клетки. Способы регуляции активности К­
каналов.
Билет №9
1.
Роль межклеточных взаимодействий в регуляции проведения и трансформации
возбуждения. Строение и типы синапсов. Механизмы возникновения памяти.
2.
Транспортные АТФазы, локализация, строение и функции.
Билет №10
1.
Примеры высокоспециализированных типов нейронов. Особенности строение и
функции.
2.
Энергообеспечение электрической активности.
Билет № 11
1. Роль оксида азота в регуляции и нарушении метаболизма. Механизмы действия оксида азота на ионные каналы.
2. Представление о роли астроцитов в функционировании синапса. Са2+ ­волны в астроцитах. Способы межклеточной сигнализации между нейронами и глиальными клетками (на примере астроцитов или Шванновских клеток)
Билет № 12
1. Строение и функции миелина. Изменение структуры миелина при проведении
межклеточного возбуждения. Сигнализация между аксоном, миелином и
Шванновской клеткой.
2. Типы упрощенных моделей электрической активности нейронов.
Список литературы
1.Ходоров Б.И. Общая физиология возбудимых мембран. М.; 1975
2.Хилле Б. Мембраны: ионные каналы М., 1981
3. Кольс О.Р., Максимов Г.В., Раденович Ч.Н. “Биофизика ритмического возбуждения”. М. МГУ, 1993
4. Максимов Г.В., Орлов С.Н. “Транспорт ионов кальция при функционировании нервного волокна: механизмы и регуляция”. М. МГУ., 1994