Физиология ЦНС. Курс лекций для студентов дневного отделения психологического

Лектор: проф. Дубынин В.А.
Лекция 3. Потенциал действия нервных клеток, его

фазы и порог запуска. Свойства электрочувствительных Na+- и К+-каналов. Проведение ПД, роль глиальных клеток. Пейсме-керы. Местные анестетики. Электрические синапсы.

-70 мВ
Подаем
через микро-
электрод
короткие
электрич.
импульсы
нарастающей
амплитуды

стимул= …?
10 мВ
Чем ближе ПП к -90 мВ (чем

у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
> порог. стимул, т.е. ниже возбудимость.

Чем ближе ПП к -50 мВ (чем > у нейрона
постоянно открытых Na+-каналов), тем
< порог. стимул, т.е. выше возбудимость.

У некоторых клеток
так много постоянно
открытых Na+-кана-
лов), что их «ПП»
стремится оказаться
выше -50 мВ… (см. стр. 19)

ходу ПД
можно выделить восходящую
и нисходящую фазы (пример-
но по 0.5 мс

каждая).

Восходящая фаза (деполяризация): вход в клетку «порции» Na+.

Нисходящая фаза (реполяризация):
выход из клетки примерно такой же «порции» К+.

ПП

каналы имеют створки, реагирую-
щие на изменение заряда внутри
нейрона и

открывающиеся, если этот
заряд становится выше -50 мВ.

Восходящая фаза (деполяризация): вход в клетку
«порции» Na+.

Нисходящая фаза (реполяризация): выход из клетки примерно такой же «порции» К+.

ПП

Если заряд внутри нейрона вновь ниже -50 мВ – створка закрывается, т.к. по- ложительные заряды, расположенные на ней, притягиваются к отрицательно заряженным ионам цитоплазмы.

Положительные заряды створки – это заряды аминокислот, входящих
в состав соответствующей молекулярной петли белка-канала.

каналы имеют створки, реагирую-
щие на изменение заряда внутри
нейрона и

открывающиеся, если этот
заряд становится выше -50 мВ.

Восходящая
фаза: вход в
клетку
«порции» Na+.

Нисходящая
фаза: выход из клетки при-
мерно такой же
«порции» К+.

Если заряд внутри нейрона вновь ниже -50 мВ – створка закрывается, т.к. по- ложительные заряды, расположенные на ней, притягиваются к отрицательно заряженным ионам цитоплазмы.

Положительные заряды створки – это заряды аминокислот, входящих
в состав соответствующей молекулярной петли белка-канала.

Открытие электрочувствительного Na+-канала «разрешает»
вход Na+ в клетку. Открытие электрочувствительного
К+-канала «разрешает» выход К+ из клетки.

Na+-каналы открываются очень быстро после стимула и
самопроизвольно закрываются примерно через 0.5 мс.

К+-каналы открываются медленно – в течение примерно
0.5 мс после стимула; закрываются они в большинстве
своем к моменту снижения заряда нейрона до уровня ПП.

Именно разная скорость открытия
Na+-каналов и К+-каналов позволяет
возникнуть сначала восходящей, а
затем – нисходящей фазе ПД.

(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный заряд, а затем
ионы К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние).

Для закрытия Na+-кана-лов на пике ПД служит дополнительная (внутриклеточная, инактивационная, И-) створка – h-ворота.
Вторая створка
(активационная, А-) –
m-ворота.

а
затем – нисходящей фазе ПД.

(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный

заряд, а затем
ионы К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние).

Для закрытия Na+-кана-лов на пике ПД служит дополнительная (внутриклеточная, инактивационная, И-) створка – h-ворота
Вторая створка
(активационная, А-) –
m-ворота.

1

1 = 5 = ПП (большая
h-створка открыта, ма-
лая m-створка закрыта);
2 = малая m-створка открылась, входит Na+;
3 = большая h-створка
закрыла канал;
4 = малая m-створка вернулась на место;
5 = канал вернулся в исходное положение.

а
затем – нисходящей фазе ПД.

(сначала ионы Na+ вносят в нейрон
положительный

заряд, а затем ио-
ны К+ выносят его, возвращая
клетку в исходное состояние.

1 = 5 = ПП (большая
h-створка открыта, ма-
лая m-створка закрыта);
2 = малая m-створка открылась, входит Na+;
3 = большая h-створка
закрыла канал;
4 = малая m-створка вернулась на место;
5 = канал вернулся в исходное положение.

-50 мВ), заряд нейрона после ПД нередко опускается
ниже ПП (следовая

гиперполяризация, относит. рефрактерность).

мВ

мс

Вершина ПД – момент равенства токов натрия и калия; она не м.б. выше равновесного потенциала для натрия, который составляет 61.5 мВ при соотношении Na+out : Na+in = 10 : 1 (см. уравнение Нернста).

Следующие три вопроса:

[1]. Что будет, если заблокировать электрочувствительные

(«потенциал-зависимые») Na+-каналы?
[2]. Что будет, если заблокировать электрочувствительные
(«потенциал-зависимые») К+-каналы?
[3]. Если при каждом ПД в клетку входит Na+ и выходит К+,
то не произойдет ли через некоторое время
«разрядка батарейки», т.е. потеря ПП?

прекра- щается генерация и проведение ПД: сначала – по периферическим

нервам
(«иллюзии» кожной чувствительности,
параличи, нарушения зрения и слуха),
позже – потеря сознания; смерть от
остановки дыхания (сэр Джеймс Кук).

ПД изменяется мало,
нисходящая – затягивает-
ся до 50 и > мс

(реполя-
ризация происходит за
счет постоянно открытых
К+-каналов, которых при-
мерно в 100 раз <, чем
электрочувствительных);
ТЭА вызывает глубокую
потерю сознания.

ТЭА

вклад Na+-K+-АТФазы в поддержание ПП, но и позволяет показать ее

важнейшую роль в «ликвидации последствий» ПД.

внутриклеточная
среда

Na+-K+-АТФаза постоянно откачивает из клетки избыток Na+ и возвращает назад K+. Без этого нейрон потерял бы ПП уже через несколько сотен ПД. Важно также, что чем > проникло в клетку Na+, тем активнее
работает насос.

ней-
рона – он распространяется
по всей мембране.
Причина: деполяри-зация в

точке появ-ления ПД играет роль запускающего (надпорогового, около 100 мВ) сти-мула по отношению к соседним точкам. Это сходно с «кру-гами на воде», а точнее – с горением бенгальского огня.

ней-
рона – он распространяется
по всей мембране.
Причина: деполяри-зация в

точке появ-ления ПД играет роль запускающего (надпорогового, около 100 мВ) сти-мула по отношению к соседним точкам. Это сходно с «кру-гами на воде», а точнее – с горением бенгальского огня.

Скорость такого распространения низка и не пре-вышает у человека 1-2 м/с (диаметр аксона 1-2 мкм).
Но чем толще проводник-аксон, тем < его электри-ческое сопротивление и легче идет запуск ПД.
Это позволяет увеличивать скорость за счет наращивания диаметра аксона. Рекорд – гигантский аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).

«Радикальный» рост скорости проведения – за счет миели-низации аксонов, которая на периферии обеспечивается одним из типов глиальных клеток – шванновскими кл.

м/с (диаметр аксона 1-2 мкм).
Но чем толще проводник-аксон, тем

< его электри-ческое сопротивление и легче идет запуск ПД.
Это позволяет увеличивать скорость за счет наращивания диаметра аксона. Рекорд – гигантский аксон кальмара (d=0.5-1 мм, V=10 м/с).

«Радикальный» рост скорости проведения – за счет миели-низации аксонов, которая на периферии обеспечивается одним из типов глиальных клеток – шванновскими кл.

Миелиновая оболочка (несколько десятков мемб-ранных слоев) – хороший изолятор. В связи с этим связанные с ПД электрические токи могут течь только через перехваты Ранвье; электрочувстви-тельные каналы также расположены только на перехватах. В результате по миелинизированному аксону ПД передается скачками («сальтаторно») с перехвата на перехват.

Протяженность перехватов Ранвье = 1% от общей длины аксона. В итоге это приводит к росту скорости проведения ПД до 100-120 м/с.

м/с (диаметр аксона 1-2 мкм).
Но: чем толще проводник-аксон, тем

< его электрич. сопротивление и легче происходит запуск ПД. Это позволяет увеливать скорость за счет наращивания диаметра аксона. Рекорд - гигантский аксон кальмара (d=1 мм, V=10 м/с).

Миелиновая оболочка (несколько десятков мемб-ранных слоев) – хороший изолятор. В связи с этим связанные с ПД электрические токи могут течь только через перехваты Ранвье; электрочувстви-тельные каналы также расположены только на перехватах. В результате по миелинизированному аксону ПД передается скачками («сальтаторно») с перехвата на перехват.

Протяженность перехватов Ранвье = 1% от общей длины аксона. В итоге это приводит к росту скорости проведения ПД до 100-120 м/с.

Диаметр миелини-зированных аксонов достигает 20 мкм; приблизительную скорость проведе-ния можно рассчи-тать, используя коэффициент 6 (4 мкм  24 м/с; 10 мкм  60 м/с и т.д.)

один олигодендроцит
образует миелиновые оболочки на нескольких аксонах; миелин –

липидно-белковый комплекс, придающий белый цвет скоплениям аксонов («белое в-во»); рассеянный склероз: на белки миелина развивается аутоиммунная реакция.

Б) астроциты: механическая защита и слежение за составом межклеточной среды; образуют гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), задерживающий проникновение в мозг «посторонних» химических веществ (учитывается при разработке лекарств).

В) микроглия:
фагоциты
(макрофаги) нервной ткани

мышечных клеток
* местные анестетики
* батрахотоксин
* электрические рыбы
*

гигантский аксон кальмара

частоты разрядов идет также за счет открывания особых типов К+-каналов,

реагирующих на гормоны, медиаторы и др.
Чем > таких каналов открыто, ниже «минимум» и реже частота ПД.

чем сильнее «ток
утечки», тем чаще ритм

В ЦНС человека такими
свойствами обладают
нейроны дыхательного
центра. Пейсмекерами
являются и клетки – во-
дители сердечного ритма.

Нейроны-пейсмекеры (водители ритма): у некоторых клеток так много постоянно открытых Na+-каналов, что заряд цитоплазмы не способен удерживаться на стабильном уровне и медленно смещается вверх (деполяризация).
При достижении порога запуска ПД происходит генерация импульса, после чего заряд нейрона отбрасывается к «минимуму» (около -60 мВ и даже ниже). Затем вновь начинается деполяризация, запуск ПД и т.д.

«минимум»

деполяризация
за счет постоян-
ного входа Na+

котором мембраны клеток находятся на расстоянии 2 нм (хими-ческий синапс

– 20-30 нм).

В мембраны друг напротив друга встроены каналы-коннексоны (каждый состоит из
6 белков-коннексинов).

Через коннексоны легко движутся любые ионы, что позволяет ПД напрямую перехо-дить с клетки на клетку.

Электрическ. синапсы редки в нервной систе-ме позвоночных и обыч-ны для беспозвоночных («сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.

Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).

беспозвоночных («сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности

учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.

Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).

ПД поперечно-полосатой мышечной клетки (скелетные мышцы) близок к ПД нейрона: от ПП=-80 мВ вверх до +40 мВ; длительность 1-2 мс; сначала вход Na+, затем выход К+.

ПД сердечного волокна: от ПП=-90 мВ вверх до +20 мВ; гораздо более длительный: 200-400 мс; сначала вход Na+, затем – плато, и лишь затем (из-за нарастающего выхода К+) – возврат к ПП.

ПД мышечной клетки сердца и его стадии:
0 – деполяризация
1 – быстрая реполяризация
2 – плато
3 – окончательная реполяризация
4 – ПП, восстановление ПП

Причина плато – входящий ток ионов Са2+, который на время уравновешивает выход К+.

беспозвоночных («сверхбыстрые» реф-лекторные дуги, но при этом – нет возможности

учесть дополнительные факторы).

Наиболее яркий пример работы коннексонов в нашем организме – сер-дечная мышца.

Следует особо отметить, что мышечные клетки всех типов обладают ПП и генерируют ПД, кото-рые необходимы для запуска сокращения (взаимное скольжение белковых нитей актина и миозина с затратой энергии АТФ).

ПД мышечной клетки сердца и его стадии:
0 – деполяризация
1 – быстрая реполяризация
2 – плато
3 – окончательная реполяризация
4 – ПП, восстановление ПП

Ионов Са2+ в сотни и тысячи раз больше в межклеточной среде (по сравнению с цитоплазмой); на многих клетках (сердце, гладкие мышцы, нейроны) имеются электрочувствительные Са2+-каналы.

При их открывании начинается вход Са2+ (в клетку вносится положительный заряд плюс влияние Са2+ на активность многих белков); закрывание каналов – при возврате к ПП.

Причина плато – входящий ток ионов Са2+, который на время уравновешивает выход К+.

Еще несколько замечаний:

ПД с плато регистрируется у «рабочих» клеток сердца; назначение плато – дать войти в цитоплазму порции Са2+, который запустит сокращение (взаимное скольжение нитей актина и миозина);

у пейсмекеров сердца нет фазы плато, ПД гораздо более короткий;
суммарный ПД всех клеток сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);
распространение ПД по сердцу – за счет электрических синапсов;

параметры ПД клеток гладких мышц – между параметрами ПД клеток
сердца и скелетных мышц; вход Са2+ наблюдается, но слабее.

назначение плато – дать войти в цитоплазму порции Са2+, который

запустит сокращение (взаимное скольжение нитей актина и миозина);

у пейсмекеров сердца нет фазы плато, ПД гораздо более короткий;
суммарный ПД всех клеток сердца – электрокардиограмма (ЭКГ);
распространение ПД по сердцу – за счет электрических синапсов;

параметры ПД клеток гладких мышц – между параметрами ПД клеток
сердца и скелетных мышц; вход Са2+ наблюдается, но слабее.

понятие «проводимость» того или иного иона (g); оно означает, по

сути, количество (иногда – долю) открытых каналов, пропускающих данный ион;
для сдвига равновесия процессов на мембране достаточно изменить g одного из ионов (например, увеличение g для К+ приведет к гиперполяризации, а для Na+ и Са2+ – к деполяризации);

2) лекция началась с описания процедуры за-пуска ПД с помощью электрической стимуля-ции нейрона; в реальном мозге такой стимуляции, конечно, нет; вместо нее – пейсмекеры, действие сенсорных стимулов на клетки-рецепторы в органах чувств и (в подавляющем большинстве случаев) выделение возбуждающих медиаторов в синапсах.

нервной клетки
(ее отростка) и связываются с h-створками в тот

момент, когда они закрыты. В результате электрочувствительные Na+-каналы
(и проведение ПД в целом) блокируются.

Местные анестетики наносят на слизистую;
их можно вводить в кожу или глубокие ткани,
а также по ходу нерва. При этом выключается
проведение по всем волокнам (сенсорным,
двигательным, вегетативным); возможно
развитие угнетающего действия на ЦНС
(вплоть до остановки дыхания).

проникает внутрь клетки и связывается с h-створками в тот момент,

когда они открыты. В результате электрочувст-вительные Na+-каналы не закрываются. Начинается тоталь-ный вход Na+, проводящий к быстрой потере нейроном как
ПП, так и способности проводить ПД (одна лягушка –
от 10 до 100 смертельных доз).

раствор, содержащий то же коли-чество К+.

При этом форма ПД практически

не менятся.

клетки – электроциты.
Они собраны в «батарею», способную генерировать разряд в

сотни Вольт.
Этот разряд – суммарный ПД электроцитов.

млекопитающих

и фазы. Свойства электрочувствительных Na+ и К+-каналов. Проведение ПД, роль

глиальных клеток. Пейсмекеры; местные анестетики; электрические синапсы».
 
Дайте определение потенциалу действия (ПД). Какова его функция в нервных и мышечных клетках?
Что такое порог запуска ПД и пороговый стимул? Как пороговый стимул зависит от ПП нейрона?
Что такое овершут ПД и от чего зависит его максимально возможное значение?
С движением каких ионов и в каком направлении связаны фазы деполяризации и реполяризации ПД нейрона?
Сравните строение электрочувствительных Na+ и К+-каналов нейрона. В чем состоит потенциал-зависимый принцип работы их створок?
Опишите движение m-створки Na+-канала на разных этапах ПД.
Опишите движение h-створки Na+-канала на разных этапах ПД.
Опишите движение створки К+-канала на разных этапах ПД.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов на уровне ПП.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов в середине восходящей и середине нисходящей фаз ПД.
Нарисуйте положение створок Na+ и К+-каналов на нисходящей фазе ПД сразу после опускания ниже уровня -50 мВ.
Что собой представляет возникающая после ПД следовая гиперполяризация? Чем она вызвана?
Что такое абсолютная рефрактерность и относительная рефрактерность? Как они проявляются и с какими механизмами связаны?
Что такое тетродотоксин? Каков механизм его действия на генерацию ПД?
Каковы симптомы отравления тетродотоксином?
Каков механизм влияния тетраэтиламмония (ТЭА) на работу нервных клеток?
Как изменяются параметры ПД после введения ТЭА? После введения тетродотоксина?
Поясните фразу: «Na+-К+-АТФаза играет важнейшую роль в ликвидации последствий ПД».
Опишите механизм распространения ПД по мембране нейрона. Чему равна примерная скорость такого распространения?
Опишите механизм распространения ПД по миелинизированному аксону. Как зависит скорость этого процесса от диаметра волокна?
Какова функция олигодендроцитов. Как формируются миелиновые оболочки?
Какая связь между миелином и рассеянным склерозом?
Опишите функции астроцитов и микроглии.
Что Вы знаете о гигантском аксоне кальмара?
Охарактеризуйте принцип функционирования нейронов-пейсмекеров.
Какие факторы влияют на частоту разрядов пейсмекеров?
Приведите примеры деятельности клеток-пейсмекеров в организме человека.
Каков механизм действия препаратов – местных анестетиков. Приведите пример такого препарата.
Что Вы знаете о батрахотоксине? Каков механизм его действия на нервные клетки?
Чем различаются принципы функционирования химических и электрических синапсов?
Как устроен электрический синапс? Что такое коннексины, коннексоны и щелевые контакты?
Что вы знаете о ПД поперечно-полосатой и ПД гладкой мышечных клеток?
Перечислите стадии ПД сердечной мышечной клетки. За счет уравновешивания каких ионных токов возникает плато такого ПД?
С каким током связан переход к фазе окончательной реполяризации ПД сердечной мышечной клетки? От чего зависит появление и выключение этого тока?
За счет чего в сердечную мышечную клетку проникает Са2+ и как он из нее удаляется?
Где находится главный центр сердечной автоматии? Что за клетки его составляют?
Какие синапсы участвуют в распространении ПД внутри сердца?
Как устроен и работает электрический орган рыб?
Охарактеризуйте понятие «проводимости» мембраны нервных клеток. Поясните, почему рост проводимости для Na+ и Ca2+ ведет к деполяризации, а K+ – к гиперполяризации нейрона?
Как можно запустить ПД в эксперименте на одиночной нервной клетке или на аксоне кальмара? Какие факторы запускают ПД в реальной нервной системе?