4. Распределение ионов во внутриклеточной и внеклеточной среде. Роль внеклеточной концентрации калия в формировании потенциала покоя возбудимой клетки.

В цитоплазме: 30-50 раз больше ионов Калия;

В 8-10 раз меньше ионов Натрия;

В 50 раз меньше ионов Хлора.

Основной вклад в создание потенциала покоя вносит выходящий калиевый ток, который осуществляется через специфические белки-каналы — калиевые каналы постоянного тока. В покое калиевые каналы открыты, а натриевые каналы закрыты. Ионы калия выходят из клетки по градиенту концентрации, что создает на наружной стороне мембраны избыток положительных зарядов; при этом на внутренней стороне мембраны остаются отрицательные заряды. Некоторый (небольшой) вклад в создание потенциала покоя вносит также работа так называемого "натрий-калиевого насоса", который образован особым мембранным ферментом - натрий-калиевой АТФазой.

Потенциал покоя для большинства нейронов составляет величину порядка −60 мВ — −70 мВ. У клеток невозбудимых тканей на мембране также имеется разность потенциалов, разная для клеток разных тканей и организмов.

ПП формируется в два этапа.

Первый этап: создание незначительной (-10 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт неравного асимметричного обмена Na⁺ на K⁺ в соотношении 3 : 2. В результате этого клетку покидает больше положительных зарядов с натрием, чем возвращается в неё с калием. Такая особенность работы натрий-калиевого насоса, осуществляющего взаимообмен этих ионов через мембрану с затратами энергии АТФ, обеспечивает его электрогенность.

Результаты деятельности мембранных ионных насосов-обменников на первом этапе формирования ПП таковы:

1. Дефицит ионов натрия (Na⁺) в клетке.

2. Избыток ионов калия (K⁺) в клетке.

3. Появление на мембране слабого электрического потенциала (-10 мВ).

Второй этап: создание значительной (-60 мВ) отрицательности внутри клетки за счёт утечки из неё через мембрану ионов K⁺. Ионы калия K⁺покидают клетку и уносят с собой из неё положительные заряды, доводя отрицательность до -70 мВ.

Итак, мембранный потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.

5. Роль натрий-калиевого насоса в транспорте ионов через мембрану. Механизмы функционирования, значение для жизнедеятельности клетки.

Несмотря на то, что потоки Na и к через мембрану в покое малы, разность концентраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге выровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного устройства – натриевого насоса, которое обеспечивает выведение из цитоплазмы проникающих в нее Nа и введение в цитоплазму К. Натриевый насос перемещает Na и К против их концентрационных градиентов, т.е. совершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией соединение – АТФ, являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка – ферментом АТФ-азой, локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионов Na взамен на два иона К, поступающих в клетку снаружи.

На каждые три иона Na, выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мамбране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя. Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na и К; генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией К по концентрационному градиенту.

Функции:

1. Поддержание стабильности концентрационного градиента ионов натрия и калия между внутренней и внеклеточной средой.

2. Из-за поддержания низкой концентрации ионов натрия в клетке обеспечивает сохранение нормальной осмолярности и объема клетки.

3. Обладает электрогенностью – вносит вклад в формирование ПП.

6. Определение понятий раздражимость и возбудимость. Электрофизиологическая характеристика процесса возбуждения. График потенциала действия, ионные механизмы фаз потенциала действия.

Раздражимость – способность живой клетки изменять свою структуру и функциональное состояние при действие раздражителей внешней и внутренней среды.

Возбудимость – свойство живых клеток реагировать на раздражение изменением своих молекулярных свойств и развитием процесса возбуждения. К возбудимым системам относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки.

Возбуждение – ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы) и неспецифических реакциях (генерация потенциала действия, метаболические изменения).

Электрофизиологически характеризует динамику и величину заряда мембраны клетки.

Количественно характеризуется величиной ПД.

Возникает в ответ на действие порогового или суперпорогового раздражителей.

1 фаза – медленная деполяризация.

Максимально открыты натриевые каналы, первичный супернормальный период, заряд приближается к Ек, возбудимость повышена.

2 фаза – быстрая деполяризация.

Инактивация натриевых каналов, абсолютная рефрактерность, снижение заряда до 0, возбудимость падает до 0.

3 фаза – быстрая реполяризация.

Величина заряда приближается к исходному уровню, но не достигает его – относительная рефрактерность, возбудимость восстанавливается до исходного уровня на фоне увеличения тока К из клетки.

4 фаза – медленная реполяризация.

Вновь повышение возбудимости – вторичный супернормальный период (период экзальтации), причина заряд приближен к Ек.

5 фаза – следовая гиперполяризация.

Временное увеличение МПП с последующим восстановлением – субнормальный период,причина: ток из клетки К, заряд мембраны удаляется от Ек, увеличение порогового потенциала.

7. Динамика изменения проницаемости потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов мембраны во время возбуждения. Функционирование m- и h- ворот натриевых каналов.

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

В состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток калия из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный поток натрия. Поэтому наружная сторона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для натрия резко повышается и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для калия. Поэтому поток натрия из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутренне содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе потенциала действия (фаза деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для натрия продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для натрия вновь понижается, а для калия возрастает.

Процесс, ведущий к понижению ранее увеличенной натриевой проницаемости мембраны, назван натриевой инактивацией. В результате инактивации поток натрия внутрь цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока калия из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружному раствору. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяризации).

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране. Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ионных токов и т.д.

Натриевые каналы имеют два типа ворот – быстрых активационных и медленных инактивационных. Канал имеет наружное и внутреннее расширения и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр. При прохождении через фильтр ионы натрия теряют часть своей гидратной оболочки. Активационные (m)и инактивационные (h) ворота расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем ворота h обращены в сторону цитоплазмы.

В состоянии покоя ворота m закрыты, тогда как ворота h открыты. При деполяризации в начальный момент ворота m и h открыты – канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются – канал инактивируется. После окончания реполяризации ворота h медленно открываются, а ворота m быстро закрываются и канал возвращается в исходное покоящееся состояние.

Блокатором является – тетродотоксин.