ОБЩА ФИЗИОЛОГИЯ НА ВЪЗБУДИМИТЕ СТРУКТУРИ

ЛЕКЦИЯ 2:
ОБЩА ФИЗИОЛОГИЯ НА ВЪЗБУДИМИТЕ СТРУКТУРИ

ВЪЗБУДИМИ КЛЕТКИ
Видове
Нервна тъкан
Мускулна тъкан
Свойства
Възбудимост
Проводимост
Съкратимост (за мускули)
ВЪЗБУДИМОСТ
Характеристики
Прагова сила на дразнителя
Минимално време на действие на дразнителя
Лабилност

РАВНОВЕСЕН ПОТЕНЦИАЛ
Моделна мембрана – само К+
Дифузия по концентрационния градиент
Дифузия по електричния градиент
Няма потенциална разлика - съдържат еднакъв брой положителни и отрицателни йони.
Създава потенциална разлика (електричен потенциал)
Равновесен потенциал за K+ - двата дифузионни потока на K+ са равни, но противоположни по посоки
няма нетен пренос на йони
потенциалът не се променя

РАВНОВЕСЕН ПОТЕНЦИАЛ
Моделна мембрана – само Na+
Отделение 2 е положително заредено, което спира дифузията на Na+
Дифузия към отделение 2 по концентрационния градиент
Равновесен потенциал за Na+
Потокът по концентрационния градиент е равен по стойност и противоположен по посока на потока по електричния градиент.
Дифузията на йони през клетъчната мембрана се определя от концентрационния градиент за дадения йон.
Преносът на електрични заряди създава електричен градиент в обратна посока.
Движението на йоните се определя от баланса между тези два градиента, т.е. от електрохимичния градиент за даден йон.

Уравнение на Нернст за равновесния потенциал

МЕМБРАНЕН ПОТЕНЦИАЛ
Характерен за всяка жива клетка
При възбудимите клетки е по-висок!
Определя се от:
Разликата в концентрацията на йоните от двете страни на клетъчната мембрана
Пропускливостта на клетъчната мембрана за съответните йони

Нормално мембраната е пропусклива за повече от един йон
Всеки от тях се стреми да достигне равновесният си потенциал
Мембранният потенциал има междинна стойност, зависеща от:
Избирателната пропускливост на мембраната
Действащият активен транспорт
По-голяма пропускливост на мембраната за съответния йон определя по-голям
принос на този йон за мембранния потенциал
УРАВНЕНИЕ НА ГОЛДМАН-ХОДЖКИН-КАТЦ

ЕЛЕКТРОХИМИЧЕН ПОТЕНЦИАЛ
Съществува разлика между равновесните потенциали на йоните имембранния потенциал
Електрохимичен потенциал (Еm-ЕХ) – електрохимична движеща сила
Ако е нула сумата от влизащия и излизащия йонен поток също е нула
В реална нервна клетка при покой
Концентрацията на K+ е много по-висока вътре в клетката
Концентрационният градиент на Na+ е в обратна посока
Мембраната е между 50 и 70 пъти по-пропусклива за К
Равновесният потенциал за K+ е -90 mV
Равновесният потенциал за Na+ е +70 mV
Мембранният потенциал е различен по стойност от двата равновесни потенциала
Доближава се до равновесния потенциал на K+, тъй като мембраната е много по-пропусклива за него при покой.

ЕЛЕКТРОХИМИЧЕН ПОТЕНЦИАЛ
Малки количества Na+ навлизат в клетката и неутрализират ефекта на същия брой K+
Реално измереният мембранен потенциал на неврона при покой е около -70
Нито Na+, нито K+ достигат равновесния си потенциал
Има нетен пренос на Na+ и K+ през мембраната в съответната посока
Концентрацията на Na+ и K+ не се променя благодарение на активен транспорт от Na,K-АТФаза
При постоянни концентрационни градиенти и пропускливост на клетъчната мембрана мембранният потенциал остава непроменен
ДА ДОБАВИМ Cl- В КАРТИНКАТА
Повечето клетки в организма имат хлорни канали, но нямат хлорни помпи
•Cl- от двете страни на мембраната се променя докато равновесният
потенциал за Cl- стане равен на мембранния потенциал при покой
(-) мембранен потенциал премества Cl- навън от клетката
Повишава концентрацията им в извънклетъчната течност
Следва дифузия на Cl- обратно в клетката – противодейства на движението по електричния градиент
Клетките, които имат помпи за активен транспорт изпомпват Cl- извън клетката
Мембранният им потенциал не е равен на равновесния потенциал на ClНаблюдава сенетен пренос на Cl- чрез дифузия в клетката
Повишава отрицателните заряди вътре в клетката
Мембранният потенциал става по-електроотрицателен
ПОТЕНЦИАЛ НА ПОКОЙ
Мембранният потенциал на нестимулирана мускулна или нервна клетка се нарича потенциал на покой!
За възникването на потенциала на покой са от значение следните фактори:
Поддържане на неравномерно разпределение на йоните
Ниска проводимост за Na+ и Са2+ при покой
Висока проводимост за K+ през Na-K канали за свободно изтичане
Варира от -5 до -100 mV в зависимост от типа клетка.
Възбудими клетки е по-голям, между -60 и -90 mV
Неврони – -40 и -75 mV
Размерът на потенциала на покой зависи от:
Химичният градиент
Пропускливостта на мембраната за йони
За К+ съществува голяма електродвижеща относителна пропускливост (0,9), но слаба електродвижеща сила (+5 mV)
За Na+, обратно, при покой има голяма електродвижеща сила (145 mV), но пропускливостта е ниска (0,03)
ЕЛЕКТРОТОНИЧНИ ПОТЕНЦИАЛИ

ПРОМЕНИ В ПОТЕНЦИАЛА НА ПОКОЙ
Краткотрайни отклонения на мембранния потенциал от неговите стойности при покой водят до два основни типа сигнали:
Потенциали, чиято амплитуда зависи от силата на дразнителя
Електротонични потенциали
Локален отговор
Потенциал на действие
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Деполяризация - по-малко отрицателен (по-близък до нулата) отколкото е потенциалът на покой
Обръщането на потенциала (overshoot) - потециалът е положителен
Реполяризация - връщане на мембранния потенциал към потенциала на покой
Хиперполяризация - по-електроотрицателен отколкото е потенциалът на покой
ЗАВИСИМИ ОТ СИЛАТА НА ДРАЗНЕНЕ ПОТЕНЦИАЛИ
Обхващат сравнително малък участък от мембраната
Затихват на разстояние 1-2 mm от мястото на възникване
Зарядите се пренасят между мястото на възникване и съседните участъци в потенциал на покой
Вътре в клетката положителните заряди се преместват
навътре в цитозола
към по-отрицателните съседни участъци с потенциал на покой
От външната страна на мембраната положителните заряди се преместват:
От участъците в покой (по-положителни) към стимулирания участък на мембраната (по-малко положителен)
ЗАВИСИМИ ОТ СИЛАТА НА ДРАЗНЕНЕ ПОТЕНЦИАЛИ
Колкото по-голяма е промяната в потенциала в стимулирания участък,толкова по-силни са локалните токове!
Първоначалната стимулация може да деполяризират или хиперполяризират мембраната
Амплитудата им зависи от амплитудата на първоначалната стимулация
Силата на тока намалява като функция на разстоянието от първоначалното място на дразнене
Предават информация само на кратки разстояния (няколко mm)
Роля в инициацията и интеграцията на сигналите, предавани на голямо разстояние
ЕЛЕКТРОНИЧНИ ПОТЕНЦИАЛИ
Прилагане на слабо правотоково дразнене:
под катода токът е навън и деполяризира мембраната
под анода е насочен навътре и хиперполяризира мембранат
Промени в мембранния потенциал, предизвикани от пасивни изменения на физичните свойства на мембраната
Симетрични – промяната в мембранния потенциал е еднаква под катода и анода

БИОЕЛЕКТРИЧНИ ЯВЛЕНИЯ
Последователно свързана верига от:
съпротивление (йонния канал)
кондензатор (двойния липиден слой)
батерия (електрогенните помпи)
След колко време и на какво разстояние ще затихне първоначално приложеното дразнене – зависимостта на скоростта на провеждане на нервните импулси от диаметъра на нервното влакно и дебелината на миелиновата му обвивка
ЛОКАЛЕН ОТГОВОР
Увеличаване силата на дразнене
Симетричността в отговора се губи
Деполяризиращият отговор става по-голям по амплитуда и се развива попродължително време
Дължи се на промени в пропускливостта на мембраната
Разпространяват се със затихване в близост до дразненето
Колкото по-силно е приложеното дразнене, толкова по-голяма е амплитудата на локалния отговор
Наблюдава се при деполяризация с над 7 mV
Амплитудата е пропорционална на силата на дразнене
Разпространява се със затихване
Наблюдава се:
Бърза, голяма промяна в мембранния потенциал
Мембранният потенциал се променя със 100 mV (от -70 до +30 mV), след което реполяризира до потенциал на покой
Нервни, мускулни, някои ендокринни, имунни и репродуктивни клетки
Наричат се възбудими мембрани
Потенциалът на действие е характерен само за възбудимите мембрани, а локалните отговори – за всички клетки
Провежда информация на големи разстояния
ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМИ ЙОННИ КАНАЛИ
Според йонната им селективност
натриеви, калиеви, хлорни, калциеви
Според скоростта им на отваряне и затваряне
бързи, бавни, закъсняващи
Интегрални белтъци
Йонен канал и регулаторни субединици
Състояния
отворено, затворено и инактивирано
Механизъм на отваряне

ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМИ ЙОННИ КАНАЛИ
Две основни характеристики:
Селективност
Отваряне и затваряне чрез „порти“
Селелективност
Диаметър
Форма
Електричен заряд
Химичен състав на вътрешната повърхност на канала
ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМИ НАТРИЕВИ КАНАЛИ
Три субединици
Стеснена централна част – определя селективността
Сензор за промяната на потенциала
Вътреклетъчна субединица – инактивира канала
ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМИ КАЛИЕВИ КАНАЛИ
Основният вид калиеви канали
Само отворено и затворено състояния
Отварянето зависи от деполяризацията на мембраната, но е много по-бавно от натриевите
Остават отворени много по-продължително
Бързи калиеви канали
Имат и инактивирано състояние
Зависими от калция
ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМИ КАЛЦИЕВИ КАНАЛИ
Преходни калциеви канали (T)
Продължително действащи (L)
Междинни (N)
ПРАГ НА ДРАЗНЕНЕ
Критичен потенциал – деполяризация, при която йонният ток през
потенциал-зависимите йонни канали не може да бъде компенсиран от
противоположно протичащия пасивен ток
Прагово дразнене - дразнене, което деполяризира мембраната до критичен
потенциал
Положителна обратна връзка деполяризация-отворени натриеви канали
Потенциалът на действие достига максимална стойност при прагово и всяконадпрагово дразнене
Деполяризация – лавинообразно отваряне на натриеви канали и доближаване на мембранния потенциал до равновесния потенциал на натрия.
Пик на потенциала – мембранния потенциал достига +35 mV
Реполяризация – натриевите канали се инактивират, а калиевите се отварят

Следови потенциал
Отрицателен следови потенциал (мембраната остава леко деполяризирана) – пропускливост на калиевите канали и за натриеви йони
Положителен следови потенциал (мембраната леко се хиперполяризира) – продължаваща повишена калиева пропускливост
КИНЕТИКА НА ИЗМЕНЕНИЕТО НА ЙОННАТА ПРОПУСКЛИВОСТ НА МЕМБРАНАТА - ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ
Определя се от концентрационните градиенти на различни йони и пропускливостта на мембраната за тях (както и при потенциала на покой)
Краткотрайната промяна в пропускливостта на мембраната позволява други йони да се движат по концентрационния си градиент
Бързопреходно повишаване на натриевата пропускливост деполяризация на мембраната до критичен потенциал
Положителна връзка деполяризация-отворени потенциал-зависими натриеви канали
Придвижване на мембранния потенциал към равновесния потенциал на Na+
КИНЕТИКА НА ИЗМЕНЕНИЕТО НА ЙОННАТА ПРОПУСКЛИВОСТ НА МЕМБРАНАТА - РЕПОЛЯРИЗАЦИЯ
Част от натриевите канали преминават в инактивирано
състояние и натриевият ток намалява. Увеличена пропускливост за К+ през потенциал-зависими калиеви канали.
Ускорява реполяризацията
Отварянето им започва при деполяризация, но става много побавно
КИНЕТИКА НА ИЗМЕНЕНИЕТО НА ЙОННАТА ПРОПУСКЛИВОСТ НА МЕМБРАНАТА – СЛЕДОВИ
ПОТЕНЦИАЛИ
Отрицателен следови потенциал - мембраната остава за кратко време леко деполяризирана
Отворените калиевите канали не са абсолютно селективни само за K+ (пропускат и Na+ в съотношение 30:1)
Положителен следови потенциал – мембраната леко хиперполяризира продължаващата увеличена калиева пропускливост преди да се установи потенциала на покой
Пропускливостта за Cl- не се променя по време на потенциала на действие
ДРУГИ ЙОНИ, СВЪРЗАНИ С ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯТА
В някои части на неврона (както ще видим след няколко лекции)
Сърцевите мускулни клетки
Отварянето на калциеви канали – повишава вътреклетъчната концентрация на Са2+
Вторичен посредник
Свързва възбуждането на клетъчната мембрана със съкращението
ЛОКАЛНИ АНЕСТЕТИЦИ
Блокират потенциал-зависимите натриеви канали и не им позволяват да се отварят в отговор на деполяризация
При увреждане локалните отговори не могат да доведат до потенциал на действие и не достигнат мозъка да се осъзнае болка
Риба-балон (тетродотоксин)
РОЛЯ НА Nа,K-АТФаза
Цикъл на изпомпване:
3 Na+ йона извън клет