15. Работа потенциалозависимых ионных каналов.Метод фиксации трансмембранного потенциала.
При развитии пика ПД отношение Рк : РNa : РCl становится 1:20:0,45 (в покое оно составляет 1:0,04:0,45). Связь развития пика ПД с током Na+ доказывается прямой зависимостью амплитуды ПД от электрохимического градиента Na+ на мембране и достоверным переходом меченого Na из среды в волокно при его возбуждении, причем в количестве, пропорциональном числу ПД. Связь нисходящей фазы ПД с током К+доказывается зависимостью хода этой фазы от электрохимического градиента К на мембране.
Подробный анализ изменений мембранной проницаемости для ионов Na+ и К+, основанный на измерениях токов этих ионов, стал возможным благодаря использованию методики фиксации ("кламп") электрического потенциала мембраны. В обычных условиях мембранные токи (при данных концентрационных градиентах) зависят и от ионной проницаемости (РNa,K), и от мембранного потенциала (МП). Мембранные токи могут точно характеризовать изменения PNa,K только при постоянном МП.
Для фиксации мембранного потенциала мембрана гигантского волокна (или какой-либо иной клетки) с помощью внутриклеточного и наружного электродов соединяется со специальной электронной схемой (рис. 1.9). Основной частью этой схемы является дифференциальный усилитель, сравнивающий МП с задаваемым от постороннего источника потенциалом Е. Ток I на выходе усилителя определяется по направлению и значению разностью (Е — МП), подаваемой на вход усилителя. Этот ток протекает через мембрану и создает на ней дополнительный скачок потенциала, который уменьшает абсолютную величину разности (Е — МП). При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя и малой величине R в цепи, подводящей ток, компенсирующий скачок потенциала на мембране может быть весьма приближен по величине к (Е — МП), так что в итоге МП может стать приблизительно равным Е.
В этой ситуации при достаточном быстродействии системы (при ее постоянной времени τ < 20 мкс) любое, даже слабое случайное смещение МП немедленно компенсируется. Таким образом, МП фиксируется на величине Е и вместе с тем управляется путем изменения этой величины Е. Методика фиксации потенциала на мембране исключает любые смещения МП, в том числе потенциалы действия. Но она позволяет регистрировать и исследовать трансмембранные токи, возникающие при искусственном изменении МП. При фиксированной величине МП эти токи пропорциональны изменениям PNa и РK (рис. 1.9).
16. Математическая модель кинетики ионных токов Ходжкина-Хаксли.
Система уравнений Ходжкина-Хаксли, которая описывает кинетику ионных токов через мембрану нервной клетки при изменении трансмембранной разности потенциалов.
На основе опытов по фиксации напряжения в аксоне кальмара Ходжкин и Хаксли сформулировали следующие принципы:
1. Перенос Na+ и К+ осуществляется различными невзаимодействующими структурами.
2. Изменение токов являются следствием изменения проницаемости мембран.
3. Пропускная способность мембраны управляется электрическим полем.
Проводимость мембраны для ионов Na+ и К+ регулируется некоторыми управляющими частицами, перемещающимися в мембране при изменениях электрического поля. Такое перемещение можно представить в виде перескоков положительно заряженных частиц между двумя потенциальными ямами через энергетический барьер с константами скоростей, которые зависят от высоты энергетического барьера и, следовательно, являются потенциалозависимыми.
17. Распространение потенциала действия по нервным волокнам (миелинезированным, немиелинезированным), по неоднородным и ветвящимся волокнам (условия блокирования импульс; понятие фактора безопасности).
Распределение потенциала действия по нервным волокнам
Процесс распространения ПД по нервному волокну имеет определенную последовательность
1. формирование ПД за счет внешних факторов
2. локальные токи в аксоплазме и в окружающем растворе
3. повышение потенциала внутренней поверхности невозбужденного участка и уменьшение наружного(соседнего)
4. увеличение трансмембранной разности потенциалов до порогового значения и возникновение ПД в соседнем участке и далее в однонаправленное распространение.
Шванновские клетки
Липиды с малым содержанием белка
Относительно миелинизированных волокон: ПД генерируется в перехватах Ранвье, локальные токи переходят между перехватами=> возбуждение передается скачкообразно от 1-го перехвата к другому. Возбуждение передается с большой скоростью и с меньшими затратами энергии.
Миелинизированное волокно – покрытое облочкой из миелина, обеспечивающей электроизоляцию. Миелин состоит из Шванновских клеток. Область прерыва между такими клетками, в которой аксоны соприкосаются непосредственно мембранами – перехваты Ранвье.
По немиелинизированованному волокну ПД распространяется непрерывно. Проведение нервного импульса начинается с распространениемэлектрического поля. Возникший ПД за счет электрического поля способен деполяризовать мембрану соседнего участка до критического уровня, в результате чего на соседнем участке генерируются новые ПД. Сами ПД не перемещаются, они исчезают там же, где возникают. Если внутриклеточным электродом раздражать аксон посередине, то ПД будет распространяться в обоих направлениях. Обычно же ПД распространяется по аксону в одном направлении (от тела нейрона к нервным окончаниям), хотя деполяризация мембраны происходит по обе стороны от участка, где в данный момент возник ПД.
Распространение ПД по ветвящимся волокнам. Условие блокировки.
1.
Условные блокирования импульса (не происходит переход возбуждения через узел ветвей)
2.
А) Импульсы движутся синхронно
Б) Импульсы движутся не синхронно. Зависит от разницы во времени θ
х — фактор безопасности, равный отношению амплитуды потенциала действия к порогу возбуждения.