Раздражимость и возбудимость. Порог раздражения. Физиология возбудимых мембран. Строение мембраны нервной клетки.

Мембрана. Все события, связанные с возникновением возбуждения, связаны с мембраной. На мембране нервной клетки, отростков, мышечных волокон формируется возбуждение. Причина: неодинаковая концентрация внутри клетки и в окружающей среде. Мембрана состоит из липидов (гидрофильные головки и гидрофобные хвосты; толщина 6 нм). Через мембрану должны мигрировать ионы. Билипидный слой не проницаем для воды и практически не проницаем для ионов. В мембрану встроены белки. Некоторые находятся с наружной части мембраны, и к ним прикрепляется белковая молекула — гликокаликс, на которой находятся поверхностные лиганды. Трансмембранные белки пронизывают билипидный слой. Они образуют ионные каналы. Ионные каналы: ионы калия, натрия, хлора и кальция. Для каждого иона свой канал. Канал представляет крупную белковую молекулу, которая несколько раз проходит через бислой. Домен — это 6 петель белковой молекулы, участок насоса.

Причины движения по каналу:

1) разность концентраций внутри клетки и в окр. среде

2) канал и ион имеет заряд, что обеспечивает прохождение или непрохождение.

Натриокалиевый насос работает против концентрационного градиента. Он обеспечивает поступление ионов, где их заведомо больше. Натрий выталкивает из клетки, а калий загоняет в клетку, для того чтобы поддерживать разность концентраций.

Na-K-АТФаза активируется, когда внутри накапливается натрий и когда внутри мало калия (нарушение исходной разности концентрации).

Насос выносит 3 иона натрия и загоняет в клетку 2 иона калия. Для этого процесса необходима энергия.

Зигзагообразный белок

1) Мембрана участвует во всех процессах обмена в-в т. к. в мембрану встроены ферменты.

2) Мембрана координирует физиологические процессы в клетке за счет изменения проницаемости для ионов глюкозы, аминокислот, гормонов. А это меняет физиологию клетки.

Раздражимость — это способность отвечать на воздействие внешней среды изменением структуры и функции как организма, так и клетки.

1) изменение формы клетки

2) изменение структуры клетки

3) начало секреции в-ва в клетке

4) возникновение роста и деления в клетке

5) совершение работы в клетке

Раздражимость.

Раздражители могут быть разной природы: физическими, механическими, химическими; разной раздражимости: пороговые, подпороговые и надпороговые; разной адекватности: адекватные (действуют на данный биологический объект в естественной среде, т. е. объект генетически приспособлен к такому воздействию) и неадекватные (на них клетка не приспособлена отвечать). Например, скелетная мышца — адекватный раздражитель: передние рога спинного мозга аксоны мотонейронов; неадекватные — ожог, эл. ток и др.

Возбудимость — это св-во клеток, а точнее их мембран отвечать на адекватные раздражители специфческим изменением ионной проницаемости. А это ведет к возникновению мембранных потенциалов.

Порог — это минимальная сила раздражения на которое отвечает данное образование.

Если сила раздражения достигла порога, то и нервное волокно, и мышечное волокно отвечает максимальным ответом.

Каждое отдельное волокно работает по принципу "всё или ничего". По амплитуде потенцалы не меняются.

Если сила раздражения маленькая, то включаются только самые возбудимые структуры.

Все события, связанные с возникновением процессов возбуждения, торможения, состояния покоя в нервных, мышечных и железистых клетках, обеспечиваются особым строением клеточных мембран и различными концентрациями ионов внутри и вне клетки, обеспечивающими их движение через мембрану.

Клеточная мембрана состоит из жидкой фазы – липидов и встроенных белковых молекул.Молекулы липидов организованы в двухслойную мембрану – бислой толщиной 6 нм.Липиды состоят из гидрофильной головки, обращенной к поверхности мембраны, и отходящих гидрофобных углеводных хвостов,которые образуют внутренний слой мембраны. (РИС,)

Липиды плохо пропускают воду и почти не пропускают ионы! Но как же тогда происходит движение ионов через мембрану? Эту задачу решают белки, встроенные в мембрану, т.е. в билипидный слой. Белки могут быть частично погружены в билипидный слой с внеклеточной стороны или изнутри клетки. Если белок находится на поверхности мембраны, то на них находятся короткие разветвленные цепочки полисахаридов, образующие ГЛИКОКАЛИКС, с помощью которого клетки опознают друг друга. (РИС.)

Некоторые белки насквозь пронизывают мембрану – билипидный слой, они называются ТРАНСМЕМБРАННЫЕ и именно они образуют ИОННЫЕ КАНАЛЫ.Основные ионы, участвующие в генерации электрических сигналов –K+, Na+, Ca++, Cl- - движутся через соответствующие каналы. Для каждого иона есть свой канал, и они имеют разное строение. Ионы могут проходить через канал ПАССИВНО по градиенту концентрации (от большей к меньшей) и по ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ ПОТЕНЦИАЛУ НА МЕМБРАНЕ КАНАЛА.

Трансмембранные, или интегративные, белки асимметрично распределены в бислое и многократно его пересекают. ПО строению – это ЗИГЗАГООБРАЗНЫЕ БЕЛКИ, которые образуют ДОМЕНЫ. Например, в натриевом канале 4 домена (РИС.). Каждый домен имеет 6 трансмембранных участков –S1-S6. Между участками S5-S6 располагается пора для входа натрия. В самом начале канала находится широкое устье, которое сужается до размеров иона селективным фильтром. Далее идет водная пора и система «ворот», которые могут открывать и закрывать канал. Кроме селективного фильтра имеется сенсоры напряжения с определенным зарядом. Следовательно натриевые каналы потенциалзависимые, т.е. вход натрия регулируется зарядом на мембране.

Количество каналов на единицу площади мембраны, и изменение состояния мембраны при прекращении работы того или иного канала изучалось с применением различных ядов. Например, если обработать нервное волокно тетраэтиламмонием, перестают работать калиевые каналы, а при действии тетродотоксина ( из рыбы фугу), перестают работать натриевые каналы и можно подсчитать их число на мембране.

Еще один тип трансмембранных белков – НАСОСЫ– переносчики веществ через мембрану против концентрационного градиента. Эти белки-насосы необходимы для переноса метаболитов – глюкозы, аминокислот и ионов для поддержания исходной разности их концентраций в клетке и окружающей среде.

Таким образом, мембрана выполняет следующие ФУНКЦИИ

1. это граница между внешней средой и внутренним содержимым,

2. участвует во всех процессах обмена веществ в клетке, так как в мембране встроены ферментативные системы.

3. координирует физиологические процессы в клетке за счет изменения проницаемости для ионов, глюкозы, аминокислот, гормонов, а это меняет физиологию клетки.

Живой организм и в целом и каждая его клетка обладает свойством РАЗДРАЖИМОСТИ – способность отвечать на воздействия вешней среды изменением структуры и функции как организма, так и клетки. В ответ на раздражающий стимул возникает ответная физиологическая реакция, которая может проявляться следующими способами:

1. изменение ФОРМЫ КЛЕТКИ

2. изменение СТРУКТУРЫ КЛЕТКИ

3. РОСТ, ПРОЦЕСС ДЕЛЕНИЯ

4. СИНТЕЗ КАКОГО-ЛИБО ВЕЩЕСТВА

5. СОВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ.

РАЗДРАЖИТЕЛИ могут быть различными

1. по природе – физические, химические, механические и др.

2. по силе – подпороговые, пороговые, надпороговые.

3. по адекватности:

АДЕКВАТНЫЕ – действуют на данный биологический объект в естественной среде, т.е. объект генетически приспособлен к данному раздражителю :колбочки-свет, волосковые клетки –звук.

Для НЕАДЕКВАТНОГО ответа клетка не приспособлена. Например, мышца отвечает на раздражение мотонейрона, но может отвечать и на электрический стимул, на механическое повреждение, химическое раздражение.

Более чувствительны клетки к адекватному раздражителю. (ПРИМЕР свет для палочек и колбочек, запах для обонятельных клеток, давление для телец Пачини, растяжение для мышечных веретен и др.).

ВОЗБУДИМОСТЬ – это свойство клеточных мембран отвечать на АДЕКВАТНЫЙ раздражитель СПЕЦИФИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЕМ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ВОЗНИКАЮЩИМ ВСЛЕДСТВИЕ ЭТОГО МЕМБРАННЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ

ВОЗБУЖДЕНИЕ – это электрический процесс, возникающий и протекающий исключительно на мембране клеток. При этом обязательно меняется ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕМБРАНЫ.

Возбуждение приводит к сокращению мышцы, к проведению нервного импульса по мышечному или нервному волокну, секреции гормона.

Возбудимость любого возбудимого образования можно измерить, определив порог раздражения – минимальную силу раздражения, на которую отвечает данное возбудимое образование.

19) Формирования потенциал покоя и потенциала действия. Критический уровень деполяризации. Рефрактерный период.

Как же принимает участие мембрана в возникновении биоэлектрических потенциалов, какую роль играют каналы и насосы?

В основе всего лежит разность концентраций ионов Na⁺, K⁺, Cl^-, Ca⁺⁺ в клетке и окружающей среде:

ИОН	Микромоль на	литр
	цитоплазма	кровь	Морская вода
калий		10.0	10.0
натрий
хлор
кальций	0.4	10.0	10.0

Обращает на себя внимание сходство концентраций ионов в крови и морской воде. Может быть, выходя из воды миллионы лет назад первые животные захватили с собой частичку океана «колыбели жизни».

Вторая причина возникновения биоэлектрических потенциалов в клетках связана с различной проницаемостью мембраны для ионов в состоянии покоя, при возбуждении и при торможении.

Мембрана в состоянии покоя ПОЛЯРИЗОВАНА. Это значит, что есть разность потенциала между внутренней и наружной поверхностями мембраны. Первая причина поляризации мембраны –это выход КАЛИЯ из клетки в состоянии покоя по концентрационному градиенту: калия в клетке в 10-20 раз больше, чем в окружающей среде. Среда в клетке остается суммарно нейтральной, так как положительный заряд калия компенсируется отрицательными зарядами таких аминокислот, как аспарагиновая, пировиноградная, уксусная.

Вторая причина – свободная проницаемость каналов для калия в состоянии покоя.

Для изучения механизмов формирования потенциала покоя и потенциала действия широко использовали крупные нервные клетки ганглиев пиявок, виноградной улитки, гигантские аксоны кальмара. Для выполнения экспериментальной работы необходим микроэлектрод, который вводят в клетку через мембрану. При этом мембрана плотно охватывает кончик микроэлектрода, и нет утечки калия из клетки. Необходим также измерительный прибор.

Если два электрода прикасаются к поверхностной части мембраны, между ними нет разности потенциалов – на экране прибора регистрируется 0. Как только кончик одного микроэлектрода входит в клетку, касаясь внутренней поверхности мембраны, происходит на экране скачок и регистрируется разность потенциалов – т.е. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ. (РИС,) Его величина различна у разных объектов.

Гигантский аксон кальмара	50-70 мВ
Мышечное волокно сердца лягушки	61-82 мВ
Водоросль нителла	100-125 мВ

Исходя из концентрации ионов калия в клетке и окружающей среде по формуле НЕРНСТА можно рассчитать величину потенциала покоя для каждого объекта. НО – мембрана незначительно проницаема в покое и для ионов натрия и хлора. Эти потоки меняют величину мембранного потенциала и он рассчитывается по формуле ГОЛЬДМАНА.

Но по концентрационному градиенту калий выходит до момента формирования равновесного потенциала по калию Ек. Происходит уравновешивание двух процессов – выхода калия из клетки под воздействием сил диффузии и электростатической силы, которая возникает в результате скопления на наружной поверхности мембраны ионов калия .Это и есть потенциал покоя.

При раздражении мембраны, резко снижается проницаемость для ионов калия и возрастает для ионов натрия. Если раздражающий стимул достигает порога – (или критического уровня деполяризации) – натрий лавинообразно входит в клетку и происходит перезарядка мембраны – ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ. До критического уровня деполяризации каналы для натрия открываются, но только их малая часть, поэтому ПД не возникает. Если потенциал на мембране достиг критического уровня деполяризации (КУД), возникает ПД и теперь мембрана изнутри заряжена положительно, а снаружи - отрицательно. Таким образом – возникновение деполяризации, т.е. возбуждения или потенциала действия (ПД), определяется потоком ионов натрия внутрь клетки по ионным каналам. На пике ПД натриевые каналы инактивируются, открываются калиевые каналы и наступает реполяризация, т.е. восстановление исходной поляризации мембраны– потенциала покоя. Этот процесс обеспечивается потоком ионов калия внутрь волокна.

Таким образом, натриевые каналы могут быть в трех состояниях: закрыты, но их можно открыть раздражением мембраны (электрическим, механическим, температурным):открыты; инактивированы, когда срабатывают инактивационные ворота и каналы невозможно открыть никаким раздражением. В этот момент клетка или волокно находятся в состоянии абсолютной рефрактерности (невозбудимости). Удлинение рефрактерного периода приводит к снижению частоты, которую может воспроизводить данное возбудимое образование. Самый длительный рефрактерный период в волокнах сердечной мышцы, что препятствует возникновению экстрасистолии при появлении патологического очага возбуждения в сердце.

Вход натрия в клетку и активно и пассивно и выход калия из клетки постепенно нарушает исходную разность концентраций. Это активирует фермент натрий-калиевую АТФ-азу, и она обеспечивает работу натрий-калиевого насоса, которые выводит из клетки 3 иона натрия против концентрационного градиента и 2 иона калия «заталкивает» в клетку также против концентрационного градиента. Таким образом, возникновение ПП и ПД не требует затраты энергии. Движущая сила заложена для этого процесса в разности концентраций и законам осмоса. Но для поддержания исходной концентрации ионов необходима энергия.

Если сила раздражения достигла порога, то и нервное волокно, и мышечное волокно отвечает максимальным ответом.

Каждое отдельное волокно работает по принципу "всё или ничего". По амплитуде потенцалы не меняются.

Если сила раздражения маленькая, то включаются только самые возбудимые структуры.

Избыток положительно заряженных ионами калия внутри мембраны компенсируется отрицательно заряженными аминокислотами: аспарагиновая, пировиноградня и уксусная.

В состоянии покоя каналы для калия открыты и по концентрационному градиенту калий выходит из клетки выносит с собой положительный заряд и внутри мембраны накапливается отрицательный заряд.

Возникает динамическое равновесие между двумя силами: сила диффузии, которая выталкивает калий из клетки, электростатическая сила, которая не выпускает калий из клетки. Эта сила создается положительно заряженными ионами которые выходят из клетки.

Возникает равновесный потенциал по калию (-70мВ).

Формула Нернста: измерялась концентрация внутри и снаружи, и нужно было высчитать мембранный потенциал.

Гольдман создал формулу с учетом ионов натрия, калия и хлора.

В состоянии покоя мембрана поляризованна. При нанесении стимула происходит процесс деполяризации. Снова открываются каналы для калия и восстанавливается состояние покоя.

Критический уровень деполяризации — это и есть, по существу, порог. Если деполяризация достигает кртитического уровня, возникает потенцальная возбудимость.

На пике каналы для натрия инактивированы и возникает абсолютная репротентность. Чем длиннее репронтерный период, тем большую частоту оно может воспроизводить.