Смирнов В.М. Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков - файл n1.doc

приобрести
Смирнов В.М. Нейрофизиология и высшая нервная деятельность детей и подростков
скачать (1607.3 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3317kb.02.11.2006 20:58скачать

n1.doc

1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   43

3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННЫХ ТОКОВ. ЗАПАС ИОНОВ В КЛЕТКЕ



ПД обусловлен циклическим процессом входа Na+ в клетку (восходящая часть пика) и последующим выходом К+ из клетки (нисходящая часть ПД), что является в свою очередь следствием активации и инактивации Na- и К-каналов.

Наиболее распространенный метод изучения функций ионных каналов - метод фиксации напряжения (voltage-clamp). Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионного тока, который мог бы деполяризовать клетку. При этом пропускают электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это позволяет изучить величину ионного тока через мембрану. Применение различных блокаторов ионных каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов.

Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покоящейся клетке и во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch-clamp). К мембране подводят микроэлектрод - присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В частности, при подаче на мембрану фиксированного деполяризующего потенциала было установлено, что через Na-каналы может проходить и ион К+, но его ток в 10-12 раз меньше, а через К-каналы может проходить ион Na+, его ток в 100 раз меньше, чем ток ионов К+.

Запас ионов в клетке, обеспечивающий возникновение возбуждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5 х 105 раз без подзарядки, т.е. без работы Na/K-насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов. Чем толще нервное волокно, тем больше запас ионов, тем больше импульсов оно может генерировать (от нескольких сотен до миллиона) без участия Na/K-насоса. Однако в тонких волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов ионов Na+ и К+. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться. В реальной действительности Na/K-насос постоянно переносит ионы Na+ из клетки, а ионы K+ возвращает в клетку, в результате чего поддерживается концентрационный градиент Na+ и К+ за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Na+ сопровождается повышением интенсивности работы Na/K-насоса. Это может быть связано исключительно с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточных ионов Na+.

3.6. ЛОКАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ. ОЦЕНКА ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ



А. Локальный потенциал. При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, то деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульсного распространяющего возбуждения. В этом случае ответ ткани на раздражение будет носить форму локального потенциала. Локальными потенциалами возбудимых клеток также являются: возбуждающий постсинаптический потенциал, рецепторные потенциалы, тормозный постсинаптический потенциал. Величина локальных потенциалов весьма вариабельна, она может достигать 10-30 мВ в зависимости от вида клеток. Свойства такого ответа существенно отличаются от импульсного (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Сравнительная характеристика локального потенциала и ПД

Свойство

Локальный потенциал

Потенциал действия

1

2

3

Распространение

Зависимость величины от силы стимула

Распространяется на небольшое расстояние (1-2 мм) с затуханием

Возрастает с увеличением силы стимула, т.е. подчиняется закону «силы»

Распространяется без затухания на большие расстояния по всей длине нервного волокна

Не зависит (подчиняется закону «все или ничего»)

Явление суммации

Суммируется - возрастает при повторных

частых подпороговых

раздражениях

Не суммируется

Амплитуда

10-30 мВ

80-110 мВ

Возбудимость ткани при

возникновении потенциала



Увеличивается

Уменьшается вплоть

до полной невозбудимости (рефрактерность)


Повышение возбудимости клетки во время локального потенциала объясняется тем, что клеточная мембрана оказывается частично деполяризованной. Если Екр остается на постоянном уровне, то для достижения критического уровня деполяризации во время локального потенциала нужен значительно меньшей силы раздражитель. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, потому что он возникает вследствие регенеративного процесса. Причина невозбудимости клетки при возникновении ПД рассматривается в разделе 3.7.



Рис. 3.5. Изменения проводимости ионов натрия (gNa) и калия (gK) через мембрану гигантского аксона кальмара (б) во время ПД (в) согласно расчетам
Б. Состояние проницаемости клеточной мембраны можно определить по скорости движения ионов в клетку или из клетки согласно концентрационному градиенту, т. е. по проводимости ионов Na+ и К+ (gNa и gK), но при условии, что влияние электрического градиента на движение ионов исключено или оно постоянное. Последнее условие выполняется с помощью методики фиксации напряжения (voltage-clamp) на постоянном уровне. Изменения проводимости ионов Na+ и К+ представлены на рис. 3.5.

Проницаемость клеточной мембраны для ионов С1- во время развития ПД не изменяется. Естественно, ион С1- в возникновении ПД участия не принимает.

3.7. ИЗМЕНЕНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ КЛЕТКИ ВО ВРЕМЯ ЕЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ. ЛАБИЛЬНОСТЬ



А. Возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро и сильно изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости, каждая из которых строго соответствует определенной фазе ПД и, так же как и фазы ПД, определяется состоянием проницаемости клеточной мембраны для ионов. Схематично эти изменения представлены на рис. 3.6.б.

1. Кратковременное повышение возбудимости в начале развития ПД, когда уже возникла частичная деполяризация клеточной мембраны. Если деполяризация не достигает критической величины, то регистрируется локальный потенциал. В случае, если деполяризация достигает Екр, то развивается ПД. При замедленном развитии начальной деполяризации она оценивается как препотенциал. Возбудимость повышена потому, что клетка частично деполяризована, мембранный потенциал приближается к критическому уровню, поскольку открывается часть потенциалчувствительных быстрых Na-каналов. При этом достаточно небольшого увеличения силы раздражителя, чтобы деполяризация достигла Екр, при которой возникает ПД.

2. Абсолютная рефракторная фаза - это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику ПД и продолжается 1-2 мс; если ПД более продолжителен, то более продолжительна и абсолютная рефракторная фаза. Клетка в этот период при любой силе раздражения не отвечает. Невозбудимость клетки в фазу деполяризации и инверсии (в первую ее половину - восходящая часть пика ПД) объясняется тем, что потенциалзависимые т-ворота Na-каналов уже открыты и ионы Na+ быстро поступают в клетку по всем каналам. Те ворота Na-каналов, которые еще не успели открыться, открываются под влиянием деполяризации - уменьшения мембранного потенциала. Поэтому дополнительное раздражение клетки относительно движения ионов Na+ в клетку ничего изменить не может.





Рис. 3.6. Фазовые изменения возбудимости клетки (б) во время ПД (а). 1,4 - возбудимость повышена; 2 - абсолютная рефрактерная фаза;

3 - относительная рефрактерная фаза
Именно поэтому ПД либо совсем не возникает на раздражение, если оно мало, либо возникает максимальным, если оно достаточной силы (пороговой или сверхпороговой). В период нисходящей части фазы инверсии и реполяризации клетка невозбудима потому, что закрываются инактивационные h-ворота Na-каналов, в результате чего клеточная мембрана непроницаема для иона Na+ даже при сильном раздражении. Кроме того, в этот период открываются уже в большом количестве К-каналы, К+ быстро выходит из клетки, обеспечивая нисходящую часть фазы инверсии и реполяризацию. Абсолютная рефрактерная фаза в процессе реполяризации продолжается до момента, когда мембранный потенциал будет примерно на уровне Екр. В это время около половины Nа+ -каналов возвращается в исходное состояние, поэтому возможна их новая активация. Абсолютный рефракторный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Если абсолютный рефракторный период завершается через 2 мс после начала ПД, то клетка может возбуждаться с частотой максимум 500 имп/с. Существуют клетки с еще более коротким рефракторным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой 1000 имп/с. Такие клетки встречаются в ретикулярной формации ЦНС.

3. Относительная рефракторная фаза - это период восстановления возбудимости, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение (см. рис. 3.6,6, кривая 3). Относительная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы реполяризации от уровня Екр ± 10 мВ и следовой, гиперполяризации клеточной мембраны, что является следствием все еще повышенной проницаемости для ионов К+ и избыточного выхода ионов К+-каналов из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбуждение в этот период, необходимо приложить более сильное раздражение, так как часть Nа+ - каналов в конце реполяризации находится еще в состоянии инактивации, а выход ионов К+ из клетки препятствует ее деполяризации. Кроме того, в период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, естественно, дальше отстоит от критического уровня деполяризации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется (см. рис. 3.6,а), то относительная рефрактерная фаза включает и период замедления реполяризации, и период гиперполяризации.

4. Фаза экзальтации - это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В нейронах ЦНС вслед за гиперполяризацией возможна частичная деполяризация клеточной мембраны. В эту фазу очередной ПД можно вызвать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько ниже обычного и оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Na+. Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность.

Б. Лабильность, или функциональная подвижность (Н.Е.Введенский) - это скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД. Это означает, что лабильность, как и ПД, определяется скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, в свою очередь, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. Особое значение при этом имеет длительность рефракторной фазы: чем больше рефракторная фаза, тем ниже лабильность ткани.

Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1 с. В эксперименте лабильность исследуют в процессе регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмического раздражения.

Лабильность различных клеток существенно различается. Так, лабильность нерва равна 500-1000, нейронов - 20-200, синапса - порядка 100 импульсов в секунду. Лабильность клеток понижается при длительном бездействии и при утомлении.

Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается, т.е. ткань отвечает более высокой частотой возбуждения по сравнению с исходной частотой. Это явление открыто А.А.Ухтомским и называется усвоением ритма раздражения.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   43


3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИОННЫХ ТОКОВ. ЗАПАС ИОНОВ В КЛЕТКЕ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации