Лекция №4 ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕЙРОНОВ

Лекция №4
ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕЙРОНОВ
1. Функциональные структуры клеточной мембраны нейронов
2. Электрохимический потенциал покоя клеточной мембраны
3. Потенциал действия мембраны возбудимой клетки
1
Каждая клетка организма, в том числе и нервная, ограничена
от окружающей среды клеточной мембраной. Клеточная мембрана
определяет многие свойства клетки, ее поведение и форму. Кроме
того, она играть ключевую роль, в восприятии, генерации и
передачи нервного импульса.
В состав мембраны нервной клетки входят белки и липиды.
Углеводы так же присутствуют в составе мембраны, но лишь в
качестве составных частей сложных молекулярных структур –
гликопротеинов и гликолипидов. Около 20% клеточной мембраны
составляет вода.
Основной структурной частью мембраны являются липиды,
среди которых можно выделить четыре группы:
 фосфолипиды (основная доля);
 сфинголипиды;
 гликолипиды;
 цереброзиды.
Не смотря на различия химической
структуры, мембранные липиды построены по
единому плану, они легко смешиваются, образуя
при этом моно и бислойный структуры. В таких
структурах реализуются два типа взаимодействия:
ионные взаимодействия полярных – несущих
заряд «голов», т.н. гидрофильные взаимодействия
и неполярные – гидрофобные взаимодействия
жирнокислотных
цепей-«хвостов»
молекул
липидов (рисунок 1).
Мембранные липиды могут находиться в нескольких фазовых
состояниях, обладая т.н. мезоморфизмом. Благодаря чему в
липидном бислое возникают структуры, благодаря которым в
клетку способны проникать молекулы и ионы.
1
С мембранным бислоем взаимодействуют белковые
молекулы, которые либо ассоциируются с поверхностью мембраны
и, в этом случае, называются периферическими белками, либо
пересекают бислой интегрируются в структуру мембраны и
поэтому называются интегральными.
Благодаря встроенным в мембрану белковым молекулам
осуществляются так называемые аллостерические эффекторы.
Для того чтобы рассмотреть действие аллостерического эффектора
вспомним строение белковых молекул.
Первичная структура белка, состоящая из одной или более
аминокислотной цепочки, свернута в сложную конформационную
форму, т. н. третичную структуру. Эта структура стабилизирована
многочисленными «слабыми» взаимодействиями: водородными
связями, вандерваальсовыми силами, гидрофобными силами
(силами отталкивания одноименно заряженных молекул). Хотя, по
сравнению с ковалентными связями, все они очень слабы, однако
часто они чрезвычайно многочисленны. Большое число таких
слабых взаимодействий и поддерживает конформацию белковой
молекулы.
Конформационная
структура
белковой
молекулы,
поддерживаемая слабыми взаимодействиями способно легко
перестраиваться из одной конформации в другую. Это явление
лежит в основе феномена аллостерии. В сущности, это означает,
что когда такая белковая молекула связывается с каким либо
участком (сайтом) на поверхности другого (какого-либо внешнего
по отношении к нервной клетки) белка, это вызывает изменения ее
конформации. В результате чего изменяется форма молекулы и
некоторые её химические и ионообменные свойства.
Принципиальную
схему
действия
подобного
аллостерического эффекта можно рассмотреть на примере
изменения активности белка фермента, представленном на
следующем рисунке (рис. 2)
АЕ - аллостерический эффектор, AS - активный сайт, Е - фермент, S - субстрат. Когда АЕ связывается с ферментом, происходит
изменение его трехмерной конформации (показанные стрелками). В
результате чего активный участок (сайт) становится недоступным
для субстратной молекулы (S).
2
Рисунок – 2 Принципиальная схема действия аллостерического
эффектора
Подобным образом работают рецепторные белки и
гликопротеины, встроенные в билипидную мембрану нервных
клеток. Через систему рецепторных молекул (аденилатциклазы,
инозитолфосфата и фосфолипазы) осуществляется воздействие на
работу мембранных каналов, что в свою очередь изменять
электрическую полярность мембраны нервной клетки и генерацию
нервного импульса.
В некоторых случаях белки пронизывают весь бислой и
соприкасаются как с внутриклеточным, так и внеклеточным
пространствами. Эти интегральные (трансмембранные) белки
построены таким образом, что их гидрофобные части (крупные
области - домены) погружены в мембрану, а гидрофильные
обращены в водные — внутриклеточный и (или) внеклеточный
компартменты.
Рисунок 3 – Виды диффузии
Часть белков, погруженных в бислой формирует гидрофильные каналы, через которые могут проходить неорганические
3
ионы и другие водорастворимые вещества. Некоторые из этих
каналов, т. н. «каналы утечки», позволяют ионам, например ионам
калия, перемещаться по градиенту концентрации в клетку или из
нее; другие играют более активную роль и действуют как воротный
механизм, контролирующий ионные потоки.
2
Еще в конце XVIII века Луиджи Гальвани и Александр Вольта
установили, что функционирование нервной системы связано с
электрическими явлениями. В середине XX века, удалось
подтвердить это предположение и показать на аксоне гигантского
кальмара, что явление «животного электричества» связано с
электрической поляризацией клеточной мембраны нейрона.
Поляризация связана с неравномерным распределением ионов
натрия и калия по обе стороны мембраны. Было установлено, что в
образовании электрохимического потенциала, возникающего на
мембране нервной клетки, участвуют ионные каналы. В результате
работы ионных каналов формируется так называемый потенциал
покоя клетки.
Потенциал покоя (ПП) - разность электрических
потенциалов между наружной и внутренней сторонами
клеточной мембраны.
Его величина в нервных клетках составляет 60-80 мВ. ПП
составляет основу для переработки информации в нервной клетке,
обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и
опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов
возбуждения и сокращения в мышце.
Важное значение в формировании потенциала покоя имею
ионы Na+ и К+. В живой клетке, находящейся в состоянии покоя,
они перемещаются через мембрану согласно законам диффузии,
при этом К+ из клетки выходит в значительно большем количестве,
чем входит Na+ в клетку, поскольку проницаемость клеточной
мембраны для К+ примерно в 25 раз больше проницаемости для
Na+. Органические анионы из-за своих больших размеров не могут
выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя
отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных.
В состоянии покоя клетки устанавливается динамическое
(подвижное) равновесие между числом выходящих из клетки и
входящих в клетку ионов К+.
4
Электрический
и
концентрационный
градиенты
противодействуют друг другу: по градиенту концентрации К+
стремится выйти из клетки, но отрицательный заряд внутри клетки
и положительный заряд наружной поверхности клеточной
мембраны препятствуют этому.
Когда концентрационный и электрический градиенты
уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К+ сравнивается с
числом входящих ионов К+ в клетку. В этом случае на клеточной
мембране устанавливается так называемый равновесный
потенциал.
Равновесный потенциал для иона можно рассчитать по
формуле Нернста. Концентрация положительно заряженного
иона, находящегося снаружи, в формуле Нернста записывается в
числителе, а иона, находящегося внутри клетки, - в знаменателе.
где Eion - потенциал, создаваемый данным ионом; R - газовая
постоянная (8,31 Дж/градус); Т - абсолютная температура
(273+37°С); Z -валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65 · 104
Кулонов);
[ion], - концентрация иона внутри клетки inside;
[ion]0 - концентрация иона во внешней среде клетки outside.
Равновесный потенциал иона Na+ у нервных клеток Ека = +55 мВ,
иона калия Ек = -70 мВ.
В результате непрерывного перемещения различных ионов
через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки
постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию ионов, ПП клеток остается на одном уровне.
Следовательно,
кроме
собственно
ионных
механизмов
формирования ПП, связанных с различной проницаемостью
клеточной мембраны и диффузией ионов, имеется активный
механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов
внутри и вне клетки. Таким механизмом являются ионные насосы,
в частности Na/K-насос (помпа).
Ионный
насос
это
транспортная
система,
обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой
5
энергии вопреки концентрационному и электрическому
градиентам.
Асимметричный перенос ионов Na/K- насосом поддерживает
избыток положительно заряженных частиц на наружной
поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри
клетки, что
позволяет считать
Na/K-насос структурой
электрогенной, дополнительно увеличивающей ПП примерно на
5-10 мВ.
3
Нормальная величина ПП является необходимым условием
возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и
распространения ПД, инициирующего специфическую деятельность клетки.
ПД - электрический процесс, выражающийся в быстром
колебании мембранного потенциала вследствие перемещения
ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без
затухания (без декремента).
Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80-110 мВ, длительность пика ПД нервного волокна составляет 0,5-1 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна
для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону
«все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений –
закону силы. ПД либо совсем не возникает на раздражение клетки,
если оно мало, либо он максимальной величины, если раздражение
является пороговым или сверхпороговым.
В составе ПД различают три фазы:
1 фаза - деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки уменьшение мембранного потенциала до нуля;
2 фаза - инверсия, изменение заряда клетки на обратный,
когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается
положительно, а внешняя - отрицательно (от лат. inversio - переворачивание);
3 фаза - реполяризация, восстановление исходного заряда
клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова
заряжается отрицательно, а наружная - положительно.
Механизм возникновения ПД.
Если действие раздражителя на клеточную мембрану
приводит к возникновению ПД, далее сам процесс развития ПД
6
вызывают фазовые изменения проницаемости клеточной
мембраны, что обеспечивает быстрое движение иона Na+ в
клетку, а иона К+ - из клетки. Величина мембранного потенциала
при этом сначала уменьшается, а затем снова восстанавливается до
исходного уровня. На экране осциллографа отмеченные изменения
мембранного потенциала предстают в виде пикового потенциала ПД. Рассмотрим фазы ПД.
Рис. 3.3. Схема, отражающая процесс возбуждения. а - потенциал
действия, его фазы: 1 - деполяризация, 2 - инверсия (овершут), 3 рсполяризация, 4 – следовая гиперполяризация; б- натриевые
ворота; (h-1 - в состоянии покоя клетки); е~ калиевые ворота (1 - в
состоянии покоя клетки). Знаки плюс (+) и минус (-) - знаки заряда
внутри и вне клетки в различные фазы ПД.
Таким образом, в основе возбуждения нервных клеток лежит
повышение проницаемости мембраны для ионов натрия и
открытие натриевых каналов. Внешнее раздражение вызывает
перемещение заряженных частиц внутри мембраны и уменьшение
исходной разности потенциалов по обе стороны или
деполяризацию мембраны. Небольшие величины деполяризации
приводят к открыванию части натриевых каналов и
7
незначительному проникновению натрия внутрь клетки. Эти
реакции являются подпороговыми и вызывают лишь местные
(локальные) изменения.
При увеличении раздражения изменения мембранного
потенциала достигают порога возбудимости или критического
уровня деполяризации. В результате открывается значительная
часть натриевых каналов. Происходит лавинообразное вхождение
ионов натрия внутрь клетки, вызывающее резкое изменение
мембранного потенциала, которое регистрируется в виде
потенциала действия. Внутренняя сторона мембраны в месте
возбуждения оказывается заряженной положительно, а внешняя —
отрицательно.
Весь этот процесс чрезвычайно кратковременный. Он
занимает всего около 1-2 мс, после чего ворота натриевых каналов
закрываются. К. этому моменту достигает большой величины
медленно нараставшая при возбуждении проницаемость для ионов
калия. Выходящие из клетки ионы калия вызывают быстрое
снижение
потенциала
действия.
Однако
окончательное
восстановление исходного заряда продолжается еще некоторое
время. В связи с этим в потенциале действия различают
кратковременную часть — пик (или спайк) и длительные малые
колебания — следовые потенциалы.
В процессе восстановления после потенциала действия работа
натрий-калиевого насоса обеспечивает «откачку» излишних ионов
натрия наружу и «накачивание» потерянных ионов калия внутрь, т.
е. возвращение к исходной асимметрии их концентрации по обе
стороны мембраны. На работу этого механизма тратится около 70%
всей необходимой клетке энергии.
Возникновение
возбуждения
(потенциала
действия)
возможно лишь при сохранении достаточного количества ионов
натрия в окружающей клетку среде. Большие потери натрия
организмом (например, с потом при длительной мышечной работе
в условиях высокой температуры воздуха) могут нарушить
нормальную деятельность нервных, снизив работоспособность
человека. В условиях кислородного голодания тканей (например,
при наличии большого кислородного долга во время мышечной
работы) процесс возбуждения также нарушается из-за
поражения (инактивации) механизма вхождения в клетку ионов
натрия, и клетка становится невозбудимой. На процесс
8
инактивации натриевого механизма влияет концентрация ионов
Са2+ в крови. При повышении содержания Са2+ снижается
клеточная возбудимость, а при дефиците Са2+ возбудимость
повышается, и появляются непроизвольные мышечные судороги.
Во время развития потенциала действия мембрана полностью
теряет возбудимость. Этот период времени называется фазой
абсолютной рефрактерностью. За ним следует относительная
рефрактерность, когда потенциал действия может возникать лишь
при очень сильном раздражении. Постепенно возбудимость
восстанавливается до исходного уровня.
9