Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

Бы­ст­рые на­трие­вые ка­на­лы

Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

ФИЗИОЛОГИЯНЕРВОВ, СИНАПСОВ, МЫШЦ И РЕЦЕПТОРОВ

  1. Понятия возбудимость и раздражимость, возбудимые и невозбудимые ткани. Раздражители: определение, их виды, характеристика. Открытие животного электричества. Мембранный потенциал покоя: его схема, параметры, механизм формирования.

Возбудимость– способность клетки генерировать ПДпри ее раздражении.

Раздражимость– общее свойство живой материи активноизменять свое состояние при действиираздражителя.

Возбудимыеткани – мышечная и нервная.

Невозбудимые– эпителиальная и соединительная.

Раздражитель– любое изменение внешней или внутреннейсреды организма, воспринимаемой клеткамии вызывающее ответную реакцию.

Выделяютфизические (электрические, механические,термические, световые) и химические. Также подразделяют на адекватные инеадекватные.

Началоисследованиям биоэлектрическихпотенциалов положил в конце 18 векаЛуиджи Гальвани. В первом опыте, подвешиваяпрепарат обнаженных задних лапок лягушекс помощью медного крючка на железнойрешетке, он обнаружил, что при касаниирешетки мышцы сокращались.

Ученыйвысказал предположение, что сокращениемышц является следствием воздействия на них электричества, источникомкоторого являются животные ткани –мышцы и нервы. Однако Вольта оспорилданное утверждение.

По его мнению,причиной сокращения был электрическийток, возникающий в области контактадвух разнородных металлов с тканямилягушки.

Гальвани поставил второй опыт,в котором нерв нервно – мышечногопрепарата набрасывался на мышцустеклянным крючком так, чтобы он касалсяповрежденного и неповрежденного участкамышцы. В этом случае мышца такжесокращалась. Второй опыт считаетсяабсолютным доказательством существованияживотного электричества.

ПП– относительно стабильная разностьэлектрических потенциалов между наружнойи внутренней средой клетки. Величинаот -30 до -90 мВ (в скелетных мышцах до -90,у нейронов -60, у гладких мышц -30…-70, всердечной мышце -80…-90).

Механизмформирования ПП.

Причинойформирования ПП является разнаяконцентрация анионов и катионов внутрии вне клетки.

  1. Потенциал действия: понятие, схема потенциала действия (фазы), его параметры, механизм возникновения. Восстановительный период.

ПД– быстрое колебание величины мембранногопотенциала вследствие активации иинактивации ионных каналов и диффузииионов в клетку и из клетки. Величинаколеблется от 80 до 130 мВ (у нервноговолокна 110, у мышечного 120 – 130).

ПДсо­сто­ит из двух ос­нов­ныхфаз: де­по­ля­ри­за­циии ре­по­ля­ри­за­ции.

Ме­ха­низ­мы

Ион­ныека­на­лы

Ес­лив фор­ми­ро­ва­нии по­тен­циа­лапо­коя уча­ст­ву­ют по­сто­ян­ноот­кры­тые ка­лие­вые ка­на­лыбез во­рот, то в фор­ми­ро­ва­нииПД — два ви­да по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ныхка­на­лов:

  • бы­ст­рые на­трие­вые ка­на­лы;
  • по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ные ка­лие­вые ка­на­лы.

Бы­ст­рыена­трие­вые ка­на­лы аб­со­лют­ноне­об­хо­ди­мы для воз­ник­но­ве­нияПД и оп­ре­де­ля­ют все егоос­нов­ные свой­ст­ва (за­кон«все или ни­че­го», рас­про­стра­не­ниебез за­ту­ха­ния, на­ли­чиереф­рак­тер­но­сти; см. вы­ше,разд. «Фи­зио­ло­ги­че­скийсмысл био­по­тен­циа­лов»);по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ныека­лие­вые ка­на­лы иг­ра­ютвспо­мо­га­тель­ную роль.

Ониоб­ла­да­ют дву­мя во­ро­та­ми:

  • на­руж­ны­ми — ак­ти­ва­ци­он­ны­ми;
  • внут­рен­ни­ми — инак­ти­ва­ци­он­ны­ми.

Бу­ду­чипо­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ны­ми,бы­ст­рые на­трие­вые ка­на­лыоб­ла­да­ют по­тен­ци­ал­за­ви­си­мо­стьюи вре­мя­за­ви­си­мо­стью(рис. 1.8, А):

  • по­тен­ци­ал­за­ви­си­мость: ак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та при по­тен­циа­ле по­коя за­кры­ты, инак­ти­ва­ци­он­ные — от­кры­ты; в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию ак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та от­кры­ва­ют­ся, инак­ти­ва­ци­он­ные — за­кры­ва­ют­ся;
  • вре­мя­за­ви­си­мость: ак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию от­кры­ва­ют­ся чрез­вы­чай­но бы­ст­ро (за де­ся­тые до­ли мил­ли­се­кун­ды), инак­ти­ва­ци­он­ные за­кры­ва­ют­ся так­же дос­та­точ­но бы­ст­ро, но все же мед­лен­нее.

Та­кимоб­ра­зом,

  • в со­стоя­нии по­коя бы­ст­рые на­трие­вые ка­на­лы за­кры­ты (так как за­кры­ты ак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та);
  • в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию бы­ст­рые на­трие­вые ка­на­лы сна­ча­ла бы­ст­ро от­кры­ва­ют­ся (инак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та еще не за­кры­лись, ак­ти­ва­ци­он­ные уже от­кры­лись); это так на­зы­вае­мая на­трие­вая ак­ти­ва­ция;
  • за­тем с не­ко­то­рой за­держ­кой эти ка­на­лы за­кры­ва­ют­ся (так как в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию за­кры­ва­ют­ся инак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та); это так называемая на­трие­вая инак­ти­ва­ция.

По­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ные ка­лие­вые ка­на­лы

Ониоб­ла­да­ют толь­ко на­руж­ны­ми(ак­ти­ва­ци­он­ны­ми)во­ро­та­ми.

Дан­ныека­на­лы так­же ха­рак­те­ри­зу­ют­сяпо­тен­ци­ал­за­ви­си­мо­стьюи вре­мя­за­ви­си­мо­стью(рис. 1.8, Б):

  • по­тен­ци­ал­за­ви­си­мость: во­ро­та при по­тен­циа­ле по­коя за­кры­ты, а в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию от­кры­ва­ют­ся;
  • вре­мя­за­ви­си­мость: во­ро­та в от­вет на де­по­ля­ри­за­цию от­кры­ва­ют­ся срав­ни­тель­но мед­лен­но (за мил­ли­се­кун­ды).

Та­кимоб­ра­зом,

  • в со­стоя­нии по­коя по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ные ка­лие­вые ка­на­лы за­кры­ты;
  • при де­по­ля­ри­за­ции по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ные ка­лие­вые ка­на­лы срав­ни­тель­но мед­лен­но от­кры­ва­ют­ся (ка­лие­вая ак­ти­ва­ция);
  • при про­дол­жаю­щей­ся де­по­ля­ри­за­ции эти ка­на­лы ос­та­ют­ся от­кры­ты­ми и за­кры­ва­ют­ся лишь то­гда, ко­гда мем­бран­ный по­тен­ци­ал воз­вра­ща­ет­ся к уров­ню по­коя.

Фа­заде­по­ля­ри­за­ции

Фа­заде­по­ля­ри­за­ции ПДобу­слов­ле­на вхо­дом в клет­куNa+.Дей­ст­ви­тель­но,де­по­ля­ри­за­ция мо­жетбыть обу­слов­ле­на толь­ковхо­дом ка­тио­на,а из двухка­тио­нов, уча­ст­вую­щих всоз­да­нии био­по­тен­циа­лов(Na+и K+),толь­ко Na+стре­мит­ся вой­ти в клет­ку.

Изэто­го сле­ду­ет, что в фа­зуде­по­ля­ри­за­ции на­трие­ваяпро­ни­цае­мость долж­на рез­копо­вы­сит­ся — то есть долж­ныот­крыть­ся бы­ст­рые на­трие­выека­на­лы. Эти ка­на­лы, как ужего­во­ри­лось, от­кры­ва­ют­сяв от­вет на де­по­ля­ри­за­цию.

Сле­до­ва­тель­но, де­по­ля­ри­за­цияяв­ля­ет­ся един­ст­вен­нымраз­дра­жи­те­лем, спо­соб­нымвы­звать ПД.

Итак,с од­ной сто­ро­ны, де­по­ля­ри­за­циявы­зы­ва­ет от­кры­ва­ниена­трие­вых ка­на­лов, а сдру­гой — вход Na+по этим ка­на­лам вы­зы­ва­етде­по­ля­ри­за­цию.

Та­кимоб­ра­зом, вход Na+в фа­зу де­по­ля­ри­за­цииПД но­сит са­мо­уси­ли­ваю­щий­сяха­рак­тер:де­по­ля­ри­за­ция при­во­дитк от­кры­ва­нию на­трие­выхка­на­лов; в ре­зуль­та­тевхо­дит Na+;вход Na+при­во­дит к еще боль­шейде­по­ля­ри­за­ции; на­рас­таю­щаяде­по­ля­ри­за­ция вы­зы­ва­етот­кры­ва­ние но­вых на­трие­выхка­на­лов и т.д.

Фа­заре­по­ля­ри­за­ции

Напи­ке ПД дви­жу­щие си­лы,про­ни­цае­мо­сти и по­то­киNa+и K+ме­ня­ют­ся сле­дую­щимоб­ра­зом.

  • дви­жу­щая си­ла (элек­тро­хи­ми­че­ский гра­ди­ент) рез­ко па­да­ет, так как клет­ка ста­но­вит­ся за­ря­жен­ной по­ло­жи­тель­но из­нут­ри, и элек­три­че­ский гра­ди­ент для Na+ ста­но­вит­ся на­прав­лен­ным на­ру­жу (про­ти­во­по­лож­но кон­цен­тра­ци­он­но­му);
  • про­ни­цае­мость так­же па­да­ет, так как за­кры­ва­ют­ся инак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­та бы­ст­рых на­трие­вых ка­на­лов;
  • сле­до­ва­тель­но, вхо­дя­щий ток Na+ рез­ко сни­жа­ет­ся.
  • дви­жу­щая си­ла (элек­тро­хи­ми­че­ский гра­ди­ент) рез­ко воз­рас­та­ет, так как клет­ка ста­но­вит­ся за­ря­жен­ной по­ло­жи­тель­но из­нут­ри, и элек­три­че­ский гра­ди­ент для K+ ста­но­вит­ся на­прав­лен­ным на­ру­жу (как и кон­цен­тра­ци­он­ный);
  • про­ни­цае­мость, бу­ду­чи боль­шой уже в по­кое, до­пол­ни­тель­но воз­рас­та­ет, так как от­кры­ва­ют­ся по­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ные ка­лие­вые ка­на­лы;
  • сле­до­ва­тель­но, вы­хо­дя­щий ток K+ рез­ко по­вы­ша­ет­ся.

Та­кимоб­ра­зом, фа­заре­по­ля­ри­за­ции ПДобу­слов­ле­на вы­хо­дом K+на фо­не пре­кра­щаю­ще­го­сявхо­да Na+.

Сле­до­выепо­тен­циа­лы

По окон­ча­нииПД час­то воз­ни­ка­ют такна­зы­вае­мые сле­до­выепо­тен­циа­лы, в боль­шин­ст­веслу­ча­ев обу­слов­лен­ныетем, что во­ро­та ион­ных ка­на­ловне ус­пе­ва­ют вер­нуть­ся всо­стоя­ние, ха­рак­тер­ноедля по­тен­циа­ла по­коя.

Ес­лисле­до­вой по­тен­ци­алпо­ло­жи­тель­нее по­тен­циа­лапо­коя, то он на­зы­ва­ет­сясле­до­войде­по­ля­ри­за­ци­ей, ес­лиот­ри­ца­тель­нее — сле­до­войги­пер­по­ля­ри­за­ци­ей.

Эти по­тен­циа­лы в раз­ныхклет­ках раз­ные; в не­ко­то­рыхклет­ках их нет во­все, в дру­гихмо­жет быть не­сколь­ко сме­няю­щихдруг дру­га сле­до­вых по­тен­циа­лов.В ка­че­ст­ве при­ме­ра нарис. 1.10 при­ве­де­на сле­до­ваяги­пер­по­ля­ри­за­ция.

Вид­но,что она обу­слов­ле­на вре­мен­нымпо­вы­ше­ни­ем ка­лие­войпро­ни­цае­мо­сти (из-замед­лен­но­го за­кры­ва­нияпо­тен­ци­ал­чув­ст­ви­тель­ныхка­лие­вых ка­на­лов) и, какслед­ст­вие, сме­ще­ни­еммем­бран­но­го по­тен­циа­лав сто­ро­ну EK.

  1. Фазовые изменения возбудимости ткани во время ее возбуждения – потенциала действия (график), их механизм. Сравнительная характеристика локального потенциала и потенциала действия. Закон “все или ничего“.

1. Вовре­мя ло­каль­но­го от­ве­тавоз­бу­ди­мость по­вы­ше­на.При­чи­на: мем­бран­ный по­тен­ци­алпри­бли­жа­ет­ся к Eкр.

2. Вовре­мя фа­зы де­по­ля­ри­за­ции,пи­ка ПД и пер­вой тре­ти фа­зыре­по­ля­ри­за­ции воз­бу­ди­мостьпа­да­ет до ну­ля (ни­ка­киераз­дра­жи­те­ли не спо­соб­нывы­звать по­втор­ный ПД).

Этопе­ри­од аб­со­лют­нойне­воз­бу­ди­мо­сти, илиаб­со­лют­нойреф­рак­тер­но­сти —од­но из клю­че­вых свойств ПД(см. вы­ше, разд. «Фи­зио­ло­ги­че­скийсмысл био­по­тен­циа­лов»).

При­чи­на: за­кры­ва­ют­сяинак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­табы­ст­рых на­трие­вых ка­на­лов,и в этих ус­ло­ви­ях ни­ка­киераз­дра­жи­те­ли не спо­соб­нывы­звать от­кры­ва­ние этихка­на­лов.

3. На­чи­наяот вто­рой тре­ти фа­зыре­по­ля­ри­за­ции воз­бу­ди­мостьпо­сте­пен­но вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся,хо­тя и ос­та­ет­ся сни­жен­нойпо срав­не­нию с ис­ход­ной (ПДмо­жет быть вы­зван, но толь­косиль­ны­ми раз­дра­жи­те­ля­ми).

Это пе­ри­од от­но­си­тель­нойне­воз­бу­ди­мо­сти, илиот­но­си­тель­нойреф­рак­тер­но­сти. При­чи­на:по­сте­пен­но вновь от­кры­ва­ют­сяинак­ти­ва­ци­он­ные во­ро­табы­ст­рых на­трие­вых ка­на­лов.

Ес­ли сле­до­вых по­тен­циа­ловнет, то воз­бу­ди­мостьвос­ста­нав­ли­ва­ет­сяпоч­ти од­но­вре­мен­но сокон­ча­ни­ем фа­зы ре­по­ля­ри­за­ции(рис 1.14, А).Ес­ли же име­ют­ся сле­до­выепо­тен­циа­лы, то из­ме­не­ниявоз­бу­ди­мо­сти бо­лее слож­ны.

В ча­ст­но­сти, во вре­мя сле­до­войги­пер­по­ля­ри­за­циивоз­бу­ди­мостьпо­ни­же­на, по­это­му пе­ри­одот­но­си­тель­ной реф­рак­тер­но­стидлит­ся доль­ше — до окон­ча­ниясле­до­вой ги­пер­по­ля­ри­за­ции(рис. 1.14, Б).

При­чи­ны: 1) мем­бран­ныйпо­тен­ци­ал сме­щен в сто­ро­нубо­лее от­ри­ца­тель­ныхзна­че­ний; 2) ка­лие­ваяпро­ни­цае­мость по­вы­ше­на,и по­это­му Eкрсме­щен в сто­ро­ну бо­леепо­ло­жи­тель­ных зна­че­ний(рис. 1.13, В).Обе эти при­чи­ны при­во­дят крос­ту по­ро­га де­по­ля­ри­за­ции,и, сле­до­ва­тель­но, сни­же­ниювоз­бу­ди­мо­сти.

Ка­ко­выбы ни бы­ли осо­бен­но­стииз­ме­не­ний воз­бу­ди­мо­стив от­дель­ных ней­ро­нах, глав­нойи важ­ней­шей осо­бен­но­стьюэтих из­ме­не­ний яв­ля­ет­сяна­ли­чие аб­со­лют­нойреф­рак­тер­но­сти:поч­ти все вре­мя, по­ка длит­сяПД, по­втор­ный ПД вы­зватьне­воз­мож­но.

Отдли­тель­но­сти пе­рио­дааб­со­лют­ной реф­рак­тер­но­стиза­ви­сит, сколь­ко ПД в 1 се­кун­думо­жет воз­ник­нуть в той или инойклет­ке.

На­при­мер, ес­лиреф­рак­тер­ность со­став­ля­ет1 мс, то мак­си­маль­ная час­то­таПД рав­на око­ло 1000 в 1 с, то есть1000 Гц.

Эта мак­си­маль­наячас­то­та им­пуль­сов, ко­то­руюмо­жет вос­про­из­ве­сти таили иная ткань, клет­ка или частьклет­ки, яв­ля­ет­ся ме­ройла­биль­но­сти(«функ­цио­наль­нойпод­виж­но­сти тка­ни»).

  1. Критерии для оценки возбудимости ткани. Явление аккомодации возбудимой ткани. Лабильность: понятие, мера лабильности, факторы ее определяющие, схема эксперимента для определения лабильности нерва, синапса и мышцы.

Возбудимостьклетки оценивается несколькимипараметрами.

  1. Пороговый потенциал – минимальная величина, на которую надо уменьшить МПП, чтобы вызвать возбуждение в виде ПД. Небольшая величина порогового потенциала свидетельствует о высокой возбудимости клетки.

  2. Пороговая сила – наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбуждение при неограничении времени ее действия. Реобаза – наименьшая сила электрического тока, способная вызвать импульсное возбуждение при неограничении времени раздражения. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости.

  3. Пороговое время – минимальное время, в течение которого должен действовать на ткань раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать ее возбуждение. Хронаксия – наименьшее время, в течение которого должен действовать электрический ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение.

Ак­ко­мо­да­ция —это сни­же­ние воз­бу­ди­мо­стипри умень­ше­нии кру­тиз­ны(ско­ро­сти на­рас­та­ния)раз­дра­жи­те­ля. При­чи­наак­ко­мо­да­ции — та же, чтои дли­тель­ной де­по­ля­ри­за­ции:при мед­лен­но на­рас­таю­щейде­по­ля­ри­за­ции ус­пе­ва­ютраз­вить­ся на­трие­ваяинак­ти­ва­ция и ка­лие­ваяак­ти­ва­ция.

Лабильность– функциональная подвижность, скоростьпротекания отдельных циклов возбужденияв возбудимых тканях.

Мералабильности – максимальное количествоимпульсов, которое может воспроизвеститкань в единицу времени в соответствиис ритмом возбуждения.

Лабильностьопределяется скоростью перемещенияионов в клетку и обратно, и она в своюочередь зависит от скорости измененияпроницаемости клеточной мембраны. Чембольше рефрактерная фаза, тем нижелабильность ткани.

  1. Нервное волокно: функциональное значение отдельных структурных элементов, классификация нервных волокон, механизм проведения возбуждения по мякотным и безмякотным волокнам, закономерности проведения возбуждения по нервному волокну и опыты их доказывающие.

Нервные волокна– отростки нейронов, с помощью которыхосуществляется связь нейронов междусобой, а также с иннервируемыми клеткамии рецепторами.

Оболочку безмиелиновыхволокон образуют швановские клетки, вкоторые погружаются осевые цилиндрынейронов. Оболочку миелиновых волоконобразуют в периферической НС леммоциты,а в ЦНС олигодендроциты. Миелиноваяоболочка влияет на электрическиесвойства волокна, способствует увеличениюскорости проведения возбуждения,выполняет трофическую функцию (регуляцияметаболизма, рост осевого цилиндра)

Плазматическаямембрана определяет пассивныеэлектрические свойства волокна(сопротивление и емкость мембраны).Распределение и концентрацияэлектроуправляемых каналов влияет навозбудимость и проводимость нервноговолокна.

Нейрофибрилы имикротрубочки обеспечивают аксональныйтранспорт.

Появление разностипотенциалов между возбужденными иневозбужденными участками мембраны.=>возникновение локальных токов междувозбужденными и невозбужденнымиучастками мембраны=>генерация новыхПД в соседних участках волокна.

Законы проведениявозбуждения по нервному волокну

  1. Анатомической и физиологической целостности

  2. Изолированное проведение возбуждения

  3. Двустороннее проведения возбуждения

Если в экспериментенанести раздражение в любой участокнервного волокна, то возбуждениерегистрируется как в проксимальном,так и в дистальном участке нерва

  1. Относительная неутомляемость нервного волокна

  1. Нервно-мышечный синапс: доказательства его наличия, назначение отдельных структурных элементов, механизм проведения возбуждения, особенности проведения в синапсе по сравнению с нервным волокном и опыты, их доказывающие.

Синапс –специализированная структура,обеспечивающая передачу сигнала отклетки к клетке с помощью химическихвеществ или электрического поля.

В состав синапсавходит пре и постсинаптическая мембраныи синаптическая щель.

В областипресинаптической мембраны находятсямногочисленные везикулы, которыесодержат молекулы медиатора ацетилхолина.Везикулы концентрируются в особыхобластях- активных зонах.

Постсинаптическаямембрана образует постсинаптическиескладки, на гребнях которых располагаютсяАХ – рецепторы.

Синаптическаящель заполнена межклеточной жидкостью,в ней располагается базальная пластинка,которая содержит различные белки. Ониспособствуют плотному сцеплению пре ипостсинаптических мембран. Базальнаямембрана содержит фермент ацетилхолинэстераза,котрая разрушает высвобожденныйацетилхолин и готовит синапс к проведениюочередного сигнала.

Механизм синаптическойпередачи.

  1. Выброс медиатора в синаптическую щель. Он запускается посредством ПД пресинаптического окончания.

    Деполяризация мембраны пресинаптического окончания ведет к открытию потенциал управляемых Ca – каналов. Ca входит в нервное окончание согласно электрохимическому градиенту.

    Са активирует экзоцитозный аппарат пресинапса, что обеспечивает выброс ацетилхолина посредством экзоцитоза в синаптическую щель

  2. Диффузия АХ к постсинаптической мембране, где локализуются N – холинорецепторы.

  3. Возникновение возбуждения в мышечном волокне. В результате взаимодействия АХ с N – холинорецепторами открываются ионные каналы и вследствие преобладания входа Na в клетку происходит деполяризация постсинаптической мембраны.

  4. Удаление АХ из синаптической щели. Осуществляется путем разрушения под действием АХЭ, около 60 % холина захватывается обратно пресинаптическим окончанием, часть АХ рассеивается.

Особенностипроведения в синапсе по сравнению снервным волокном.

  1. Задержка в передаче сигнала к другой клетке. Это время затрачивается на высвобождение медиатора из нервного окончания, диффузию его к постсинаптической мембране и возникновение постсинаптических потенциалов, способных вызвать ПД в мышечном волокне.

  2. Низкая лабильность синапса.

    Она объясняется тем, что необходимо время для высвобождения медиатора, распространения его до постсинаптической мембраны, возникновение ВПСП, а при более частом раздражении в синапсе возникают длительные ВПСП.

    Суммируясь они могут вызвать стойкую деполяризацию постсинаптичекой мембраны, что делает невозможным генерацию новых ПД, т.к. ПД может возникнуть только при наличии заряда в клетке.

  3. Одностороннее проведение. Возбуждение передается только от нервного волокна к другой клетке, т.к. пресинаптическое окончание чувствительно только к нервному импульсу, а постсинаптическая мембрана к медиатору.

  4. Неизолированное проведение. Возбуждение рядом расположенных постсинаптических мембран суммируется

  5. Затухание возбуждения в химических синапсах принедостаточном выделении медиатора из пресинаптического окончания в синаптическую щель

  6. Проводимость нервно – мышечного синапса угнетается и стимулируется различными веществами.

  7. Утомляемость синапса. причина – истощение запасов медиатора в пресинаптическом окончании.

7. Скелетнаямышца: значение отдельных структурныхэлементов мышечного волокна, понятиео структурной и функциональной единицеизолированной мышцы и двигательногоаппарата организма, классификациядвигательных единиц, физиологическиесвойства скелетной мышцы и ее функции

Структурной ифункциональной единицей мышцы, являетсямышечное

волокно, представляющеесобой сильно вытянутое многоядерноеволокно.

Мышечное волокноимеет оболочку сарколемму. В саркоплазмемышечного

волокна имеютсямногочисленные ядра, митохондрии,растворимые белки,

капельки жира,гранулы гликогена, фосфатсодержащиевещества, другие

малые молекулы, атакже ионы. Там же расположенымногочисленные

мембраны. Онивключены в состав поперечных Т –трубочек, пересекающих

мышечное волокноисвязывающих сарколемму с внутриклеточным

пространством исаркоплазматическим ретикулумом.Последний

представляет собойсистему связанных друг с другом системи канальцев. Т –

система и ретикулумобеспечивают функциональное согласованиепроцессов

возбужденияклеточной мембраны со специфическойактивностью

сократительногоаппарата миофибриллы. Через Т – трубочкиможет

происходитьвыделение продуктов обмена в межклеточноепространство и

далее в кровь.

Внутри мышечноговолокна тянется масса миофибрилл, скоторыми связана

способность мышцк сокращению.

Двигательнаяединица – комплекс мотонейрона со всемиего коллатералями и группой иннервируемыхим мышечных волокон.

Двигательныеединицы подразделяют на быстрые имедленные. Медленные мотонейронынизкопороговые, малоутомляемые. Быстрыемотонейроны высокопороговые, утомляемые,не способны к длительному поддержаниявысокочастотного разряда.

Физиологическиесвойства скелетной мышцы.

1.Возбудимость.Способность мышцы отвечать на действиераздражителя самой мышцы или двигательногонерва изменением физиологическихсвойств и возникновением возбуждения.

2.Проводимость.Способностъ проводить возбуждение,возникшее в каком-либо участке мышечноговолокна, по всему волокну.

3.Рефрактерность.Временное снижение возбудимости мышцы,которое возникает в результатевозбуждения.

4.Лабильность.Количество возбуждений за единицувремени, зависящее от уровня обменныхпроцессов.

5.Сократимость.Способность изменять свою длину илинапряжение при возбуждении. Это основнаяфункция скелетном мышцы. В периодотносительного покоя скелетные мышцыполностью не расслаблены, а умереннонапряжены.

Такое состояние называетсямышечным тонусом и объясняется редкимиимпульсами от двигательных нейронов,которые попеременно возбуждаютнейромоторные единицы.

При изотоническомсокращении укорачивается мышечноеволокно, а напряжение не изменяется;при изометрическом сокращении длинамышцы не изменяется, а напряжениевозрастает.

Приэтом мышцы выполняют следующие функции:

1) обеспечивают определенную позу телачеловека;

2) перемещают тело в пространстве;

3) перемещают отдельные части телаотносительно друг друга;

4) являются источником тепла, выполняятерморегуляционную функцию.

Источник: https://studfile.net/preview/1778938/

Механизм действия местных анестетиков: Механизм действия МА заключается в блокировании потенциал­зависимых

Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

Механизм действия МА заключается в блокировании потенциал­зависимых натриевых каналов плазматических мембран нервных во­локон, вследствие чего увеличивается их порог возбуждения и умень­шается величина потенциала действия.

Поэтому МА понижают или полностью подавляют возбудимость чувствительных нервных оконча­ний в слизистых оболочках, коже и других тканях при непосредствен­ном контакте. В первую очередь препараты эффективны при острой ноцицептивной и нейрогенной боли.

Наиболее подвержены действию МАбезмиелиновые и тонкие миелиновые волокна, по которым прово­дятся температурные и болевые чувствительные импульсы. Толстые миелиновые волокна, ответственные за проведение тактильных чув­ствительных импульсов, менее чувствительны к действию МА.

Каналы в состоянии покоя (доминирующее состояние при более отрицательных потенциалах мембраны) имеют значительно меньшую аффинность к МА, чем активные (открытые) или инактивированные каналы (доминирующее состояние при более положительных по­тенциалах мембраны).

Поэтому эффект препарата в какой-либо кон­центрации более выражен в активных действующих аксонах, чем в находящихся в состоянии покоя. Между деполяризациями аксона часть натриевых каналов восстанавливается от блокады местными анестетиками. Это восстановление идет в 10-1000 раз медленнее, чем восстановление каналов от нормальной физиологической инактива­ции.

В результате удлиняется рефрактерный период, и нерв может проводить меньшее количество импульсов.Натриевые каналы быстрые — гетеротримерные комплексы гли- козилированных белков с молекулярной массой: альфа субъединица 260 кД, бета1 — 36 кД и бета2 — 33 кД.

Альфа субъединица пред­ставляет собой 4 гомологичных домена (1-1У), каждый из которых содержит 6 трансмембранных альфа-спиральных сегментов (81-86) и внутримембранную петлю. Собственно натриевый ионофор образован 4 доменами. Канал открывается за счет смещения потенциалчувстви- тельных Э4 (воротных) структур в ответ на изменение мембранного потенциала.

Через несколько миллисекунд после открытия каналы закрываются — инактивация. Инактивационные ворота образованы короткой внутриклеточной петлей между доменами 3 и 4.

Рецептор для МА представлен тремя центрами в Эб: Фен-1764 — гидрофильный центр—для связывания замещенной аминной группы МА; Тир-1771 — гидрофобный центр — для связывания ароматиче­ского радикала и изолейцин-1760 — представляет собой наружную границу рецептора (замена этой аминокислоты на аланин позволяет МА входить в канал с наружной поверхности клетки). Доказанные участки связывания для токсинов в натриевом канале — IV вб (ако­нитин, веротридин, батрахотоксин), I вб (полиэфирные токсины), 83-84 (альфа-токсин скорпиона), 8Э2 всех доменов (тетродотоксин, сакситоксин).

Повышение уровня внеклеточного кальция частично блокирует действие МА за счет увеличения поверхностного потенциала мембра­ны, которое переводит ее в состояние покоя.

Наоборот, повышение концентрации внеклеточного калия деполяризует мембранный по­тенциал и стимулирует инактивацию. Это усиливает эффект МА.Хотя было показано, что МА блокируют много других каналов, в том числе и химически регулируемые синаптические каналы, не доказана значительная роль этих эффектов в клиническом действии препаратов. С другой стороны, экспериментальные исследования нервных волокон и миокардиоцитов показали, что препараты, кото­рые продлевают потенциал действия, могут значительно повышать чувствительность натриевых каналов к блокаде местными анестети­ками. Это можно объяснить тем, что аффинность активированных и инактивированных каналов к местным анестетикам выше, чем аф­финность каналов в состоянии покоя.

Большинство используемых в клинике локальных анестетиков выпускают в виде растворов солей (например, 0,5-2,0% раствор ли­докаина гидрохлорида).

В таких растворах соли локальных анесте­тиков присутствуют как в виде незаряженных оснований (В), так и в виде положительно заряженных катионов (ВН+). Соотношение между этими компонентами определяется специфичностью состава само­го вещества (рНа) и величиной pH раствора.

Поскольку pH величина постоянная для любого химического соединения, то соотношение свободной основы (В) и заряженного катиона (ВН+) будет зависеть от величины pH раствора МА.

По мере снижения величины pH и роста концентрации Н+ равновесие будет смещаться в сторону заряженных катионных форм. И напротив, но мере роста pH и снижения концен­трации ионов Н+ равновесие будет смещаться в сторону свободных основных форм (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Механизм действия МА на натриевые каналы мембран нейронов (описание в тексте)

В действии МА принимают участие 2 фактора: 1) диффузия через оболочки нерва и его мембраны; 2) процессы связывания на некоторых участках клеточной мембраны. Основная форма (В, рис. 5.2) опреде­ляет преимущественную диффузию через нервную мембрану в на­правлении аксоплазмы, где происходит конверсия в катионы (ВН+). Катионы главным образом вовлекаются в соединение с рецепторными зонами в натриевом канале, что и приводит к его блокаде.МА (например, лидокаин) входят в натриевый канал со стороны аксоплазмы. Следовательно, для проявления анестетической актив­ности pH межклеточной жидкости не должен быть слишком низким. Так, в очаге воспаления (кислая среда) анестетик представлен преиму­щественно заряженной формой, неспособной диффундировать внутрь клетки, он не проявляет своей активности.МА могут блокировать любые нервные волокна, но их действие не ограничивается только потерей чувствительности. Паралич дви­гательных волокон иногда полезен, однако он сужает возможности пациента выполнять указания врача, например при родах. Во время спинальной анестезии двигательный паралич может вызвать нару­шения дыхания, а блокада вегетативных нервов — гипотензию. Раз­ные нервные волокна отличаются по чувствительности к действию местных анестетиков, это зависит от их миелинизации и размера. При воздействии МА на корешок нерва тонкие волокна В и С блокируются первыми, затем волокна А. Таким образом, проведение боли исчезает в первую очередь, затем подавляются другие виды чувствительности, а далее и двигательные функции.МА действуют предпочтительно на тонкие волокна, проводящие электрические импульсы на короткие расстояния. В ходе анестезии такие волокна блокируются первыми, прерывая проведение по ко­ротким участкам нерва. Для прекращения проведения по миелини- зированным волокнам необходимо, чтобы блокада распространилась на 3 последовательных узла. Чем толще нерв, тем больше расстояние между узлами, и это частично объясняет большую резистентность толстых волокон к МА. Миелинизированные волокна блокируются раньше, чем безмиелиновые того же диаметра. По этой причине пре- ганглионарные В-волокна блокируются раньше, чем безмиелиновые С-волокна. Другая причина предпочтительной блокады чувствитель­ных волокон связана с зависимостью действия М А от характеристик деполяризации. Вызванная ими блокада более выражена при большей частоте и длительности деполяризации. Сенсорные, особенно боле­вые, волокна имеют высокую частоту импульсации и сравнительно длительный потенциал действия (до 5 мс). Двигательные волокна по­сылают импульсы с меньшей частотой и более коротким потенциалом действия (< 0,5 мс), потому они блокируются позже и большими кон­центрациями МА анестетиков, чем сенсорные волокна.Анатомические особенности, которые иногда изменяют названные правила дифференцированной блокады нервов, — это положение во­локна в пучке. В крупных нервных стволах двигательные волокна часто расположены по наружной поверхности и поэтому первыми контактируют с препаратом, который введен в окружающие ткани. Следовательно, в крупных нервных стволах двигательная блокада наступает раньше, чем чувствительная. В конечностях проксималь­ные чувствительные волокна расположены на наружной поверхно­сти нерва, а дистальные — в его центре. Поэтому во время инфиль- трационной блокады крупного нерва анестезия сначала развивается проксимально, а затем распространяется дистально, когда анестетик начинает проникать в центр нерва.Таким образом, последовательность процессов, приводящих к про­водниковой блокаде периферического нерва под влиянием МА, можно представить следующим образом:1. Диффузия основных форм МА через оболочку нерва и нервную мембрану.2. Восстановление равновесия между основными и катионными формами МА на аксиальной поверхности нервной мембраны.3. Проникновение внутрь и фиксация МА в зоне рецепторов в на­триевом канале.4. Блокада натриевого канала.5. Угнетение проведения натрия.6. Снижение скорости и степени фазы деполяризации потенциала действия.7. Невозможность достигнуть порогового уровня потенциала.8. Недостаточное развитие потенциала действия.9. Проводниковая блокада.Растворимость в липидах является первым лимитирующим фак­тором обезболивающей способности препарата. Для проникновения через мембрану нервной клетки анестетики должны обладать до­статочно высокой липофильностью. Например, прокаин наименее растворим в липидах и малоэффективен. В то же время тетрака­ин обладает высокой липофильностью и наиболее выраженным обезболивающим действием среди препаратов эфирного ряда. Экс­периментальные исследования показали, что в организме человека корреляция между липофильностью анестетика и его действенно­стью не столь выражена, как в опытах на изолированном нерве. Лидокаин был почти вдвое активнее прилокаина и мепивакаина в опытах на препаратах изолированного нерва. Однако у человека все три анестетика оказывали примерно одинаковое действие. Точно так же этидокаин, более активный, чем бупивакаин в опытах на изолированном нерве, в условиях клиники оказался слабее. Раз­ное действие локальных анестетиков в лабораторных условиях и в клинике может быть обусловлено различным их распределением в тканях и сосудорасширяющим эффектом. Например, лидокаин рас­ширяет сосуды сильнее, чем мепивакаин или прилокаин, и поэтому быстрее абсорбируется. Меньшие по размерам молекулы лидокаина также предрасполагают к более быстрому наступлению блокады при клиническом использовании. Очень высокая липофильность этидокаина приводит к тому, что весьма значительные количества этого препарата захватываются жировой тканью эпидурального пространства. Поэтому для создания невральной блокады остает­ся меньшее число молекул, чем это имеет место при назначении бупивакаина.Помимо растворимости препарата в липидах, его обезболивающее действие определяется также и другими факторами. Сопоставление величин коэффициентов распределения и анестезирующего действия локальных анестетиков эфирного и амидного рядов показало, что это действие у аминоэфиров значительно выше, чем у аминоамидов даже при одинаковых коэффициентах распределения. Аминоэфиры взаи­модействуют с большим числом различных рецепторов, что обеспечи­вает им значительно большие возможности действия.

Источник: https://medic.news/farmakologiya_832/mehanizm-deystviya-mestnyih-48273.html

О чем не знал гальвани: пространственная структура натриевого канала

Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

«Общий план» организации Na+-канала бактерии Arcobacter butzleri (NavAb): каждый из четырех мономеров, образующих пору (отверстие в центре), показан своим цветом.

«Периферические» участки каждого мономера — потенциал-чувствительные домены, соединенные с доменом, образующим пору, гибким «шарниром».

Каждый мономер состоит из шести трансмембранных α-спиралей, обозначаемых S1–S6.

В основе «животного электричества» и вообще всех электробиохимических потенциалов, столь важных для существования любой формы жизни, лежат ионные каналы, способные управлять прохождением тех или иных заряженных частиц через биологическую мембрану.

Каналы, селективно пропускающие ионы натрия, отвечают за начальную фазу электрического возбуждения многих клеток, на котором держится передача нервных импульсов, сокращение мышц, секреция гормонов и многое другое.

После многих лет исследований ученым удалось получить пространственную структуру потенциал-чувствительного натриевого канала, — правда, пока это канал бактерий, устроенный более просто, чем канал животных.

Трехмерная организация проводящей поры и домена, «чувствующего» электрический потенциал, поможет лучше понять тонкости электрической активности возбудимых тканей и даст исследователям новое оружие против невралгических болей, эпилепсии и аритмии.

В 1786 году Луиджи Гальвани с помощниками наблюдали знаменитое подергивание лапок препарированной лягушки в ответ на прикосновение скальпеля к обнаженным бедренным нервам животного (рис. 1), что положило начало идее животного электричества, или гальванизма.

Однако чего они в то время не осознали, это что любой (а не только посмертный!) прыжок лягушки начинается со своего рода «искры», запускающей биоэлектрический процесс возбуждения в нервах и мышцах.

В наше время хорошо известно, что этот процесс носит название потенциала действия, и начинается он с лавинообразного входа внутрь возбудимой клетки (такой как нейрон или клетка мышц) положительно заряженных ионов натрия (Na+), которых вне клетки в десять раз больше, чем внутри нее.

Почти сразу после этого события входящий натриевый ток сменяется выходящим током ионов калия (K+, которых внутри клетки, напротив, в двадцать раз больше), что восстанавливает исходный электрический потенциал на мембране. Равновесная концентрация самих ионов после этого нормализуется при помощи Na+/K+-насоса.

Рисунок 1. Описание Гальвани своего опыта: «Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него.

Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги.

Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями.

Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

«Шлюзом», в состоянии покоя не пускающим ионы натрия из межклеточной среды внутрь, являются потенциал-чувствительные натриевые каналы (ПЧНК), которые открываются при деполяризации — изменении электрического потенциала на мембране в сторону нуля (в покое, когда все ионные каналы закрыты, этот потенциал равен примерно −70 мВ). Пространственное строение натриевых каналов, несмотря на пятидесятилетнюю историю изучения, до недавнего времени оставалось неизвестным, — в отличие от K+-каналов, для нескольких типов которых в последнее десятилетие были получены пространственные структуры высокого разрешения. И вот ученые из Университета Сиэттла (штат Вашингтон, США) расшифровали пространственное строение ПЧНК бактерии Arcobacter butzleri (этот канал называется NavAb) [1], что должно позволить лучше понять, как работают натриевые каналы животных. Работа выполнена в лаборатории Уильяма Каттеролла, более 30 лет посвятившего изучению натриевых каналов.

«Электрические сигналы от потенциал-чувствительных натриевых каналов кодируют информацию в мозгу и передают ее в нервной системе, заставляют мышцы сокращаться, а также стимулируют выработку инсулина в поджелудочной железе», — поясняет Каттеролл важность выбранного им для изучения объекта. — «Если вам выполнили спинальную блокаду или дантист сделал вам инъекцию лидокаина, — натриевые каналы в  зоне укола временно перестают работать и не сообщают мозгу о том, что происходит что-то не то» [2].

Натриевые каналы входят в большую группу потенциал-чувствительных ионных каналов, куда также относятся калиевые и кальциевые каналы.

Однако функция ПЧНК уникальна тем, что именно с них начинается потенциал действия, когда в ответ на деполяризацию эти каналы временно (очень быстро, но очень ненадолго!) открываются, впуская Na+ внутрь клетки.

Считается, что активация и инактивация Na+-каналов происходит в разных участках этих белков [3], [4].

Как и другие потенциал-чувствительные каналы, ПЧНК могут полностью активироваться в ответ на всего лишь 10-мВ деполяризацию [5], вызывая каскадное открывание все новых каналов, что обусловливает крайне высокую чувствительность возбудимых тканей. В результате волна возбуждения (нервный импульс) будет бежать по нервному волокну до тех пор, пока не вызовет в нервном окончании секрецию молекул нейромедиатора, «передавая эстафету» другому нейрону или мышечной клетке.

Потенциал-чувствительные каналы либо состоят из четырех идентичных субъединиц, образующих в центре общую пору (так устроены калиевые каналы и «новоисследованные» Na+-каналы бактерий NavAb, см.

заглавный рисунок), либо образованы одной длинной полипептидной цепью, образующей четыре гомологичных (но не идентичных) домена, каждый строением напоминающий мономер K+-канала или NavAb. Эти четыре домена образуют пору аналогичным образом, «сворачиваясь» вокруг общего центра.

Четырехдоменное строение характерно для кальциевых и натриевых каналов животных, — что и отличает, главным образом, полученную структуру NavAb от натриевых каналов, находящихся в мембранах наших нейронов и мышечных клеток.

Пóра, образованная четырьмя поровыми доменами каждого из мономеров NavAb (или каждым из четырех доменов натриевых каналов животных), «настроена» на селективное пропускание ионов Na+ через мембрану, когда канал открыт; при этом энергетический барьер прохода на другую сторону мембраны снижается настолько, что натрий проходит через канал практически со скоростью свободной диффузии. Открытие поры (образована трансмембранными сегментами S5 и S6) регулируется потенциал-чувствительными доменами (ПЧД, сегменты S1–S4), образующими «лепестки» канала (см. заглавный рисунок). Трансмембранный сегмент S4 этого домена несет большой положительный заряд: каждый третий аминокислотный остаток здесь — аргинин или лизин, выстроенные точно в линию по одной из сторон α- (точнее, 310) спирали S4. Вообще-то, наличие заряженных остатков весьма нетипично для гидрофобной среды мембраны, однако именно такое устройство позволяет ПЧД крайне чувствительно реагировать на изменение потенциала и, «выезжая» из мембраны под действием меняющегося электрического поля, заодно открывать и пору, раздвигая образующие ее α-спирали.

В уже известных пространственных структурах K+-каналов [6], [7] пóра находится в открытом состоянии, что вполне согласуется с тем фактом, что при деполяризации канал открывается.

Однако в структуре канала NavAb, полученной Каттероллом и его коллегами, пóра закрыта, несмотря на состояние ПЧД, характерное для активированного (открытого) канала.

Согласно предположению ученых, им удалось «поймать» канал либо в «пред-открытом», либо в инактивированном состоянии (последнее — это когда канал закрыт и в течение какого-то времени не может быть активирован).

Структура канала NavAb объясняет, как устроен потенциал-чувствительный домен с его «обоймой» положительно заряженных аминокислотных остатков, пронизывающих всю мембрану и способных под влиянием электрического поля двигаться «вверх-вниз», подобно поршню.

Интересно также строение селективного фильтра, избирательно пропускающего ионы натрия, но непроницаемого для калия, — хотя он и существенно, судя по всему, отличается от селективного механизма ПЧНК животных.

Однако самым интересным, по-видимому, стали «бреши» в стенках поры, открывающие доступ в ее внутренний резервуар прямо из толщи мембраны (рис. 2).

По-видимому, именно эти «бреши», отсутствующие в K+-канале, являются причиной чрезвычайно высокой чувствительности ПЧНК к местным анестетикам, селективно блокирующим пору канала, — возможно, проникая внутрь нее именно из среды липидов мембраны (многие из этих анестетиков достаточно для этого гидрофобны) [8].

Рисунок 2. «Бреши» в боковых поверхностях натриевого канала NavAb. Бактериальный натриевый канал образован четырьмя идентичными мономерами, «сплетенными» между собой наподобие лепестков диафрагмы (поровый домен одного мономера тесно взаимодействует с потенциал-чувствительным доменом соседнего мономера).

а — Боковое сечение канала, на котором видны «бреши», открывающие доступ из гидрофобной среды мембраны во внутренний резервуар поры (пустое пространство показано красным контуром). Границы мембраны показаны серыми линиями.

б — Сечение в виде «сверху» показывает размер внутреннего резервуара поры NavAb в закрытом состоянии.

«Учитывая такое интересное строение натриевых каналов, открывается широкий простор для дизайна новых лекарственных веществ, действующих на эти каналы, — подытоживает Каттеролл. — Ученые надеются разработать новые лекарства, действующие на натриевые каналы „изнутри“.

В частности, очень хотелось бы увидеть новые анестетики без побочных эффектов, а также лекарства, которые помогли бы против эпилепсии и расстройства сердечного ритма, приводящего иногда к внезапной сердечной смерти» [2].

Но это, конечно, не у бактерий — а значит, еще предстоит большая работа по выяснению того, как устроены натриевые каналы у животных и в особенности — у млекопитающих.

Написано с использованием материалов Nature News [9].

  1. Jian Payandeh, Todd Scheuer, Ning Zheng, William A. Catterall. (2011). The crystal structure of a voltage-gated sodium channel. Nature. 475, 353-358;
  2. Atomic structure discovered for a sodium channel that generates electrical signals in living cells. (2011). ScienceDaily;
  3. F Bezanilla, E Stefani. (1994). Voltage-Dependent Gating of Ionic Channels. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.. 23, 819-846;
  4. William A. Carterall. (2008). Molecular Mechanisms of Gating and Drug Block of Sodium Channels. Sodium Channels and Neuronal Hyperexcitability. 206-225;
  5. B. Hirschberg. (1995). Transfer of twelve charges is needed to open skeletal muscle Na+ channels. The Journal of General Physiology. 106, 1053-1068;
  6. S. B. Long. (2005). Voltage Sensor of Kv1.2: Structural Basis of Electromechanical Coupling. Science. 309, 903-908;
  7. Stephen B. Long, Xiao Tao, Ernest B. Campbell, Roderick MacKinnon. (2007). Atomic structure of a voltage-dependent K+ channel in a lipid membrane- environment. Nature. 450, 376-382;
  8. H. Fozzard, P. Lee, G. Lipkind. (2005). Mechanism of Local Anesthetic Drug Action on Voltage-Gated Sodium Channels. CPD. 11, 2671-2686;
  9. Richard Horn. (2011). Peering into the spark of life. Nature. 475, 305-306.

Источник: https://biomolecula.ru/articles/o-chem-ne-znal-galvani-prostranstvennaia-struktura-natrievogo-kanala

Потенциалуправляемые каналы

Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

Специфичность ионных каналов.

Большая часть из них относятся к селективным, т.е. кана­лам, пропускающим только один вид ионов (натриевые кана­лы, калиевые каналы, кальциевые каналы, анионные каналы).

Селективность канала.

Селективность канала определяется наличием избира­тельного фильтра.

Его роль выполняет начальный участок канала, который имеет определенный заряд, конфигурацию и размер (диа­метр), что позволяет пройти в канал только определенному виду ионов.

Некоторые из ионных каналов неселективные, например, каналы “утечки”. Это такие каналы мембраны, по которым в состоянии покоя по градиенту концентрации из клетки выхо­дят ионы К+, однако по этим каналам в клетку в состоянии по­коя по градиенту концентрации входит и небольшое количество ионов Na+.

Сенсор ионного канала.

Сенсор ионного канала – чувствительная часть канала, ко­торая воспринимает сигналы, природа которых может быть различна.

На этой основе выделяют:

• потенциалзависимые ионные каналы;

• рецепторуправляемые ионные каналы;

• лигандуправляемые (лигандзависимые);

• механоуправляемые (механозависимые).

Каналы, имеющие сенсор, называются управляемыми. У некоторых каналов сенсор отсутствует. Такие каналы называ­ют неуправляемыми.

Воротная система ионного канала.

У канала есть ворота, которые закрыты в состоянии покоя и открываются при воздействии сигнала. У некоторых каналов выделяют два вида ворот: активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота).

Выделяют три состояния ионных каналов:

• состояние покоя, когда ворота закрыты и канал недо­ступен для ионов;

• состояние активации, когда воротная система открыта и ионы перемещается через мембрану по каналу;

• состояние инактивации, когда канал закрыт и не отве­чает на стимулы.

Скорость проведения (проводимость).

Бывают быстрые и медленные каналы. Каналы “утечки” – медленные, натриевые каналы в нейронах – быстрые.

В мембране любой клетки имеется большой набор разно­образных (по скорости) ионных каналов, от активации кото­рых зависит функциональное состояние клеток.

Потенциалуправляемые каналы.

Потенциалуправляемый канал состоит из:

• поры, заполненной водой;

• устья;

• селективного фильтра;

• активационных и инактивационных ворот;

• сенсора напряжения.

Диаметр канала значительно больше диаметра иона, в зоне селективного фильтра он сужается до атомарных размеров, это и обеспечивает выполнение данным участком канала функции селективного фильтра.

Открытие и закрытие воротного механизма возникает при изменении мембранного потенциала, причем открываются во­рота при одном значении мембранного потенциала, а закрыва­ются при другом уровне потенциала мембраны.

Считается, что изменение электрического поля мембраны воспринимается специальным участком стенки канала, кото­рый получил название сенсор напряжения.

Изменение его состояния, обусловленное изменением уровня мембранного потенциала, вызывает конформацию бел­ковых молекул, формирующих канал, и, как следствие, ведет к открытию или закрытию ворот ионного канала.

Каналы (натриевые, кальциевые, калиевые) имеет четыре гомологичных домена – субъединицы (I, II, III, IV). Домен (на примере натриевых каналов) состоит из шести трансмембран­ных сегментов, организованных в виде а-спиралей, каждый из которых играет свою роль.

Так, трансмембранный сегмент 5 играет роль поры, транс­мембранный сегмент 4 сенсора, реагирующего на изменение потенциала мембраны, другие трансмембранные сегменты от­ветственны за активацию и инактивацию воротной системы канала. До конца роль отдельных трансмембранных сегментов и субъединиц не изучена.

Натриевые каналы (внутренний диаметр 0,55 нм) имеют­ся в клетках возбудимых тканей. Плотность на 1 мкм2 в раз­личных тканях не одинакова.

Так, в немиелиновых нервных волокнах она составляет 50-200 каналов, а в миелиновых нервных волокнах (перехваты Ранвье) – 13000 на 1 мкм2 площади мембраны. В состоянии по­коя они закрыты. Мембранный потенциал составляет 70-80 мВ.

Воздействие раздражителя изменяет мембранный потен­циал и активирует потенциалзависимый натриевый канал.

Он активируется при смещении потенциала мембраны от уровня потенциала покоя в направлении критического уровня деполяризации.

Сильный натриевый ток обеспечивает смещение потенци­ала мембраны до критического уровня деполяризации (КУД).

Изменение мембранного потенциала до -50-40 мВ, т.е. до уровня критического уровня деполяризации, вызывает откры­тие других потенциалзависимых №+-каналов, через которые осуществляется входящий натриевый ток, формирующий “пик” потенциала действия.

Ионы натрия по градиенту концентрации и химическому градиенту по каналу перемещаются в клетку, формируя так называемый входящий натриевый ток, что приводит к даль­нейшему быстрому развитию процесса деполяризации.

Мембранный потенциал изменяет знак на противополож­ный +10-20 мв. Положительный мембранный потенциал вы­зывает закрытие натриевых каналов, их инактивацию.

Потенциалзависимые №+-каналы играют ведущую роль в формировании потенциала действия, т.е. процесса возбужде­ния в клетке.

Ионы кальция затрудняют открытие потенциалзависимых натриевых каналов, изменяя параметры реагирования.

К+-каналы

Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,30 нм) имеются в цитоплазматических мембранах, обнаружено значительное количество каналов “утечки” калия из клетки.

В состоянии покоя они открыты. Через них в состоянии покоя происходит “утечка” калия из клетки по градиенту кон­центрации и электрохимическому градиенту.

Этот процесс обозначается как выходящий калиевый ток, который приводит к формированию потенциала покоя мемб­раны (-70-80 мВ). Эти калиевые каналы можно лишь условно отнести к потенциалзависимым.

При изменении мембранного потенциала в процессе депо­ляризации происходит инактивация калиевого тока.

При реполяризации через потенциалзависимые каналы формируется входящий К+ ток, который получил название К+ ток задержанного выпрямления.

Еще один тип потенциалзависимых К+-каналов. По ним возникает быстрый выходящий калиевый ток в подпороговой области мембранного потенциала (положительный следовой потенциал). Инактивация канала происходит за счет следовой гиперполяризации.

Другой тип потенциалзависимых калиевых каналов акти­вируется только после предварительной гиперполяризации, он формирует быстрый транзиторный калиевый ток, который быстро инактивируется.

Ионы кальция облегчают открытие потенциалзависимых калиевых каналов, изменяя параметры реагирования.

Са+-каналы.

Потенциалуправляемые каналы вносят существенный вклад как в регуляцию входа кальция в цитоплазму, так и в электрогенез.

Белки, образующие кальциевые каналы, состоят из пяти субъединиц (al, a2, b, g, d).

субъединица al формирует собственно канал и содержит места связывания для различных модуляторов каль­циевых каналов.

Было обнаружено несколько структурно различных al субъединиц кальциевых каналов в нервных клетках млекопи­тающих (обозначенных как А, В, С, D и Е).

Функционально кальциевые каналы различных типов от­личаются друг от друга активацией, кинетикой, проводимос­тью одиночного канала и фармакологией.

В клетках описано до шести типов потенциалуправляемых кальциевых каналов (Т-, L-, N-, P-, Q-, R- каналы).

Активность потенциалуправляемых каналов плазмалеммы регулируется различными внутриклеточными вторич­ными посредниками и мембранно-связанными G-белками.

Кальциевые потенциалзависимые каналы обнаружены в большом количестве в цитоплазматических мембранах нейро­нов, миоцитах гладких, поперечно-полосатых и сердечных мышц и в мембранах эндоплазматического ретикулума.

Са2+-каналы СПР являются олигомерными протеинами, встроенными в мембрану СПР.

Са2+-управляемые Са2+-каналы СПР.

Эти кальциевые каналы были впервые выделены из ске­летных и сердечных мышц.

Оказалось, что Са2+-каналы СПР в этих мышечных тканях имеют молекулярные различия и кодируются различными ге­нами.

Са2+-каналы СПР в сердечных мышцах непосредственно связаны с высокопороговыми Са2+-каналами плазмалеммы (L-тип) через кальцийсвязывающие белки, образуя, таким обра­зом, функционально активную структуру – “триаду”.

В скелетных мышцах деполяризация плазмалеммы прямо активирует освобождение Са2+ из эндоплазматического ретикулума благодаря тому, что Са2+-каналы плазмалеммы служат потенциалчувствительными передатчиками активирующего сигнала непосредственно Са2+-каналам СПР через связываю­щие белки.

Таким образом, Са2+-депо скелетных мышц обладают ме­ханизмом освобождения Са2+, вызываемым деполяризацией (RyRl-тип).

В отличие от скелетных мышц, эндоплазматические Са2+-каналы кардиомиоцитов не связаны с плазмалеммой, и для стимуляции освобождения Са2+ из депо требуется увели­чение концентрации цитозольного кальция (RyR2-тип).

Кроме этих двух типов Са2+-активируемых Са2ч-каналов, недавно был идентифицирован третий тип Са2+-каналов СПР (RyR3-тип), который еще изучен не достаточно.

Для всех кальциевых каналов характерна медленная акти­вация и медленная инактивация по сравнению с натриевыми каналами.

При деполяризации мышечной клетки (выпячивания цитоплазматических мембран – Т-трубочки подходят к мембра­нам эндоплазматического ретикулума) происходит потенциалзависимое открытие кальциевых каналов мембран саркоплазматического ретикулума.

Так как, с одной стороны, концентрация кальция в СПР велика (депо кальция), а концентрация кальция в цитоплазме низка, а с другой – площадь мембраны СПР и плотность каль­циевых каналов в ней велики, то уровень кальция в цитоплаз­ме увеличивается в 100 раз.

Такое увеличение концентрации кальция инициирует процесс сокращения миофибрилл.

Кальциевые каналы в кардиомиоцитах находятся в цитоплазматической мембране и относятся к кальциевым каналам L-типа.

Активируются при потенциале мембраны +20-40 мВ, фор­мируют входящий кальциевый ток. Длительно находятся в ак­тивированном состоянии, формируют “плато” потенциала действия кардиомиоцита.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/13_138188_potentsialupravlyaemie-kanali.html

ПОИСК

Потенциалочувствительные натриевые каналы: Потенциалочувствительные натриевые каналы закрыты, когда мембрана

    Пока представление о потенциале действия носило феноменологический характер, в дальнейшем необходимо рассмотреть лежащие в его основе молекулярные процессы. В гл. 6 эти вопросы обсуждаются подробно, здесь же рассмотрим лишь некоторые из них. В начале 50-х гг.

английские физиологи Ходжкин и Хаксли исследовали потенциал действия и заложили основы современного понимания данного явления. Они показали, что первоначально падение потенциала (деполяризация) обусловлено утечкой ионов натрия (рис. 5.7). По достижении порогового значения ионные каналы в мембране открываются и пропускают ионы натрия.

Последующая реполяризация происходит благодаря открытию специальных калиевых каналов и протока ионов калия в обратном направлении, т. е. изнутри наружу, одновременно закрываются натриевые каналы (инактивация). Из рис. 5.

7 следует, что первоначально реполяризация превышает значение потенциала покоя, так как при равновесном потенциале для К+ мембрана характеризуется более высоким отрицательным зарядом, чем при потенциале покоя. Это наблюдаемое различие медленно исчезает в результате закрывания калиевого канала и восстановления натриевого потенциала покоя.

Инактивация [c.117]
    Многообразие ионных каналов. В последние годы чрезвычайно широко проводилось исследование ионных каналов в различных типах нервных клеток. Эти исследования позволили значительно расширить модель потенциала действия, предложенную Ходжкином и Хаксли, включающую лишь один натриевый и один калиевый канал.

Большинство подобных работ было выполнено на телах нейронов моллюсков — крупных клетках, чрезвычайно удобных для внутриклеточных методов исследования с фиксацией потенциала. Полагают, что выявленные в этих исследованиях свойства мембраны тела нейрона в ка- [c.161]

    Зависимость параметров канала от мембранного потенциала.

Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой (рис. 4.2). На языке ионных каналов этот процесс происходит следующим образом.

Ион-селективный канал имеет сенсор – некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 4.6).

При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот – своеобразных заслонок, действующих по закону все или ничего .

Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала (рис. 3.5 и 4.2), приводит к тому, что большое число каналов открывается. Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал. [c.103]

    Электрический потенциал, действующий на ворота , складывается из трансмембранного потенциала и локальных потенциалов, создаваемых заряженными группами вблизи ворот . В число таких заряженных групп входят, по всей видимости, ионы Са +, адсорбированные вблизи входа в натриевый канал. [c.168]

    ТТХ-связывающие белки выделены из различных объектов головного мозга, клеток нейробластомы, нейронов моллюсков, аксонов кальмара и др. С помощью моно- и поликлональных антител.показано наличие общих антигенных детерминант у белков каналов, вьщеленных с помощью тетродотоксина, Им-мунохимические данные наряду с результатами офаниченного протеолиза и химической модификации молекул свидетельствуют в пользу трансмембранной модели потенциал-независимого натриевого канала. Доступность некоторых участков белка для иммуноглобулинов в липидных мембранах или липосомах подтверждает гипотезу о значительных конформационных перестройках молекулы натриевого канала под действием электрического поля. [c.250]

    Вновь обсудим электровозбудимые каналы, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов Ыа+ и К+.

Тщательный анализ возникновения потенциала действия гигантского аксона кальмара, проведенный Ходжкин и Хаксли [1—3], показал, что существуют по крайней мере два различных (отдельных) капала после деполяризации мембраны открывается натриевый канал, обусловливающий входящий поток ионов Ыа+ через некоторое время открывается калиевый канал и поток ионов К+ устремляется в противоположном направлении (рис. 6.1). Известно, что проницаемость мембраны для ионов Ыа+ и К+ не увеличивается одновременно. Кроме того, имеются еще два факта, которые доказывают существование двух отдельных каналов. [c.132]

    Нейротоксины как инструменты исследования. Во время потенциала действия выделяют три фармакологически различных процесса активацию (открытие) канала, ионный транспорт через открытую пору и инактивацию (закрытие) канала.

Нейротоксины, влияющие на потенциалзависимые натриевые каналы, по-видимому, действуют через три различных участка канала [14] участок 1 (ТТХ, STX), относящийся к транспорту ионов участок 2 (ВТХ, вератридин, актонитин), регулирующий активацию канала, и участок 3 (S TX, АТХ), регулирующий инактивацию канала (табл. 6.4). [c.150]

    По определению потенциал-зависимые каналы-это такие каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала.

Это наводит на мысль о каком-то простом механизме включения и выключения каналоа Но в случае натриевых каналов, ответствеиных за потенциал действия, этот механизм несколько сложнее, и существенную роль в нем играет временная задержка. Поведение канала можно исследовать с помощью описанного выше метода фиксации напряжения.

Если мембранный потенциал поддерживать на уровне нормального потенциала покоя (примерно – 70 мВХ натриевый ток практически отсутствует это указывает на то, что почти все натриевые каналы закрыты.

Если теперь резко сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону, скажем до О мВ, и удерживать клетку в таком деполяризованном состоянии, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы На потекут в клетку вниз по градиенту концентрации.

Этот нат мевый ток достигнет максимума примерно через 0,5 мс после того, как установится новое значение потенциала. Однако уже спустя несколько миллисекунд ток падает почти до нуля, даже если мембрана остается деполяризованной (рис. 18-И). Значит, каналы открылись на какой-то момент и вновь закрылись.

Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, которое явно отличается от их первоначального закрытого состояния, когда они еще были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд. [c.81]

    ТТХ содержится в органах рыб семейства Tetraodontidae. Он воздействует на наружную поверхность мембраны, подавляя возникновение потенциалов действия в нервах и мышцах (см. гл. XXIII, 3) и блокируя селективно натриевый ток. Аналогичное действие оказывает и STX, содержащийся в жгутиковых.

Ион TEA селективно подавляет калиевый ток, удлиняя фазу падения потенциала действия (см. XXIII, 3). Блокирование канала инициируется связыванием агента с рецептором, который представляет собой определенный элемент молекулярной структуры канала.

Считается, что молекула блокатора Т связывается обратимо с рецептором в реакции [c.136]

    Проводимость каналов. Воротные токи. Изменение потоков Ма и К ( На и г к) во время потенциала действия (рис. 16.1) обеспечивается двумя типами ионных каналов для Ма и К, проводимость которых по-разному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране. Ма – проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается.

Калиевая проводимость нарастает по 5-образной кривой и за 5 – 6 мс выходит на постоянный уровень. Восстановление натриевой проводимости до исходных значений происходит в 10 раз быстрее, чем калиевой проводимости.

Вопрос о том, каким образом проводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов.

В модели Ходжкина – Хаксли предполагается, что проводимость для ионов Ма и К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемешаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембране зависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал.

Считается, что в случае калиевой проводимости имеются четыре активирующие канальную проводимость частицы. В случае Ма – канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующей частицы-для закрывания канала.

На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделении трансмембранных токов на отдельные компоненты (г на и г к) и в экспериментальном изучении их свойств.

В функциональной структуре канала были выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов (селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис. 16.2). Движение заряженных управляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов. Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного на мембрану электрического импульса. Удалось обнаружить воротные токи смещения, связанные с частицами, отрывающими Ма-канал. Вместе с [c.154]

    Тетродотоксин (выделен из рыб семейства Те1гао(1оп11(1ае) и сакситоксин (из морского фитопланктона ряда Сопуаи1ах) — полициклические соединения, содержащие гуанидиновую группу.

Оба они могут присоединяться к белкам натриевого канала в области его наружного входа, блокируя прохождение ионов натрия, а следовательно, и развитие потенциала действия. Если тетродотоксин и сакситоксин вводить внутрь аксона, то они не ингибируют проведение импульса.

Оба вещества отличаются очень высоким сродством к своим рецепторам на аксоне и поэтому относятся к наиболее сильным токсинам 1 мг сакситоксина вызывает паралич с летальным исходом. [c.536]

    В этой главе мы рассмотрим четыре типа возбудимых комплею ов, начав с натриевого канала в мембранах аксонов нервных клеток этот зависимый от потенциала канал участвует в возникновении потенциала действия в нервах. Далее мы обратимся к химически регулируемому каналу и рассмотрим. [c.326]

Смотреть страницы где упоминается термин Натриевые каналы и потенциал действия: [c.121]    [c.135]    [c.160]    [c.42]    [c.100]    Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.298 ]

Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.298 ]

© 2019 chem21.info Реклама на сайте

Источник: https://www.chem21.info/info/1339438/

Medic-studio
Добавить комментарий