Современные представления о строении и функциях мембран. Активный и пассивный транспорт через мембраны, их роль в формировании мембранного потенциала покоя.
Это чрезвычайно вязкие, пластичные структуры, окружающие все живые клетки. Плазматическая мембрана обретает компартмент, внутри которого находится цитоплазма.
Функции: 1) барьер (поддерживается различный состав вне и внутрикл среды) 2) селективная проницаемость за счет работы каналов и насосов. 3) обмен веществами м/у клеточным содержимым и окружающей средой путем экзо- и эндоцитоза. 4) архитектура и микросреда. 5) транспорт. 6) осмос. 7) синтетическая (образование АТФ). Хим состав: липиды (40%), белки (60%), углеводы (<10%)
В жизнедеятельности клетки огромную роль играет мембрана. Она принимает участие в генерации потенциала действия (мембраны клеток возбудимых тканей), энергии (мембраны митохондрий), осуществляет функции восприятия внешнего сигнала и межклеточного взаимодействия (например, передачу информации от одной клетки другой). Основной диапазон мембранных свойств обусловлен барьерно-транспортный функцией: мембрана определяет потоки веществ, идущих через нее, микросреду, т. е. состав цитоплазмы. неравномерность концентрации ионов во внутри- (много К+) и внеклеточном (много Na+ и Cl-) пространстве обеспечивается рядом механизмов транспорта протонов через мембрану клетки.
Механизмы транспорта веществ зависят от состава и структуры биологических мембран, природы веществ, которые должны пройти через мембрану, размера молекул и их заряда.
Пассивный транспорт веществ через мембрану происходит без затраты энергии и может осуществляться как без носителя, так и с помощью специфического транспортера (белка). Он идет по градиенту концентрации, т. е. из зоны с более высоким содержанием транспортируемого вещества в зону с более низкой концентрацией.
Пассивный транспорт представлен следующими формами. Простая диффузия. Электронейтральные молекулы с молярной массой до 100—150 проходят через биологические мембраны сравнительно легко (на основе простой диффузии. Облегченная диффузия. Это пассивный транспорт, обеспечиваемый специфическим для данного вещества транспортером. В качестве последнего выступают особые типы белков (белки-носители), которые облегчают диффузию тем, что связывают переносимое вещество на одной поверхности мембраны, проводят его через мембрану и на другой поверхности освобождают переносимое соединение. Однако и в этом случае транспорт осуществляется по градиенту концентрации.
Обменная диффузия. Один и тот же белок-носитель способен перенести в обратном направлении другое соединение, т. е. транспортер доставляет внутрь клетки вещество из внеклеточного пространства, где его концентрация выше, а в обратном направлении, опять же по градиенту концентрации, выводит вещество, концентрация которого максимальна внутри клетки.
Активным транспортомназывается процесс, в ходе которого вещество 1) связано с носителем. 2) переносится через мембрану против своего химического пли электрохимического градиента. Активный транспорт вещества представляет собой эндоэргонический процесс, т. е. идет с потреблением энергии и, следовательно, должен быть обязательно сопряжен с другим процессом (экзоэргоническим), в ходе которого освобождается такое же или большее количество энергии. Источником свободной энергии чаще всего является энергия, выделяемая при расщеплении АТФ. Все многообразие разновидностей молекулярного специфического транспорта через мембрану, включая активный транспорт против градиента концентраций, реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов, переносчиков, каналов и пор.
Мембранный потенциал характеризует разность потенциалов поверхностей мембраны в результате избирательного переноса катионов и анионов. Различают потенциал покоя, местный потенциал действия.
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ.клетка находится в состоянии физиологического покоя, поверхностьзаряжена положительно, а внутри отрицательно.. Эта разность потенциалов получила название мембранного потенциала покоя. Природа его возникновения и поддержания: Неравномерное распределение концентраций ионов во внутри- и внеклеточном пространствах. 2. Различная проницаемость мембраны для ионов. Ионы К+ и С1+ проходят через нее легко. Na+— с трудом, а органические ионы вообще не проходят.
Потенциал покоя зависит от следующих факторов.1. Внеклеточной концентрации К+. 2. Катионов Na+, по градиенту концентрации поступающих в клетку. Но положительный заряд потока натрия значительно больше, чем противоположный поток ионов калия. 3. Ионов Сl В нервных клетках проницаемость для Сl обычно гораздо ниже, чем для К+. однако в мышечных волокнах наоборот. Распределение Сl по обе стороны мембраны противоположно распределению К+. 4. Работы натриевого насоса. Активный транспорт ионов Na и К против градиента концентраций. Мембранный механизм, поддерживающий определённое соотношение ионов Na+ и К+ в клетке. 3 Na наружу и 2 К внутрь. 3 положительных заряда выносятся и 2 заносятся, чтобы внутренняя поверхность мембраны оставалась отрицательно заряжена – электрогенный эффект насоса.
3. Потенциал действия.Потенциал действия – быстрый сдвиг мембранного потенциала в положительном направлении при активности нервных и мышечных клеток. П.Д состоит из 4 фаз. Деполяризация, овершут, реполяризация, следовые потенциалы. Он начинается быстрым сдвигом в положительном направлении «фазой нарастания» В ее время клеточная мембрана теряет свой нормальный заряд и поэтому фаза называется деполяризацией . Когда деполяризация переходит за нулевую линию и мембранный потенциал становится положительным начинается овершут. Последующая фаза в которой восстанавливается исходный потенциал мембраны называется реполяризацией. Последний участок фазы реполяризации для некоторых видов потенциала действия бывает замедлен. Например в мышце через 1мс после начала потенциала действия наблюдается перегиб кривой реполяризации, следующее за ним медленное изменение потенциала называется деполяризационным следовым потенциалом. В нейронах спинного мозга кривая деполяризации быстро пересекает уровень потенциала покоя так что потенциал становится более отрицательным чем потенциал покоя, это – гиперполяризационный следовой потенциал. Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временные параметры не зависящие от силы стимула, вызывавший данный потенциал действия (правило все или ничего). Возникает при первичной деполяризации мембраны до -50мВ – критический уровень деполяризации. Приводит к открытию потенциал зависимых Na+ и K+ каналов. Через него ионы устремляются по градиенту: Na вовнутрь, а K наружу (пассивный транспорт). Поступление натрия внутрь обеспечивает восходящую фазу ПД (деполяризации) и инверсию потенциала на мембране. Открытие калиевых каналов запаздывает, К начинает выходить из клеток и рост ПД замедляется – нисходящая фаза (реполяризация) и восстановление исходного потенциала. Причиной остановки деполяризации и развития реполяризации служат:
- увеличение деполяризации: МП достиг натриевого равновесия, электрохимический градиент для натрия уменьшается, т.е. уменьшается сила засасывания натрия. - при деполяризации мембраны происходит закрытие натриевых каналов => уменьшается проницаемость натрия. - открытие калиевых каналов, достигается калиевое равновесие.
С инактивацией натриевых канало связанно важное свойство – рефрактерность. Во время абсолютного рефрактерного периода клетка полностью утрачивает способность при действии раздражителя любой силы. Относительная рефрактерность следующая за абсолютной характеризуется более высоким порогом возникновения потенциала действия.
Положения мембранной теории. 1) Электрический ток постоянной силы действует раздражающим образом на возбудимые структуры только в моменты замыкания и размыкания. 2) Такое же действие оказывает быстрое усиление или ослабление тока. 3) Раздражение обеспечивается только деполяризующим внешним током, внешним током выходящего направления. Именно такой ток деполяризует мембрану – снижает мембранный потенциал.
4. Законы раздражения возбудимых тканей. Полярный закон раздражения (Пфлюгер). Изменения мембранного потенциала под анодом и катодом постоянного тока.Закон полярности раздражения: Пфлюгер 1859 – для действия постоянного тока. В момент замыкания раздражающего тока ( или возрастания его силы) возбуждение возникает в области отрицательного полюса (катода). В момент размыкания тока или его ослабления возбуждение создается в области положительного полюса (анода). При одной и той же силе раздражающее действия замыкания выражено сильнее чем действие размыкания. В случае приложения к объекту 2 внешних раздражающих электродов полярный закон гласит: При включении тока раздражение возникает в области катода ( выходящее направление тока), А при выключении в область анода. Для внутриклеточного раздражения при включениитока необходимо чтобы внутриклеточный электрод имел положительный заряд.
Закон электротона - Изменения велечины мембранного потенциала создаваемые пропусканием через участок мембраны электрического тока от внешнего источника приводят к изменению возбудимости. Различают катэлектротон и анэлектротон создаваемый входящим током. При действии катода т.е. выходящего тока происходит разрядка мембранной емкости. При этом возбудимость и проводимость оказываются повышенными тогда как в области анода происходит дозарядка мембранной емкости до некоторого более выского потенциала приводящего к падению возбудимости и проводимости.
5. Законы раздражения возбудимых тканей. Соотношение между силой и временем раздражения. Хронаксиметрия.Закон крутизны раздражения – Для раздражения деполяризующий ток должен нарастать достаточно круто. В условиях когда деполяризующий ток дается не прямоугольным толчком, а усиливается от нуля постепенно потенциал действия может вообще не возникнуть если при этом критический уровень деполяризации смещается в положительную сторону и изменяющийся в туже сторону мембранный потенциал его не догоняет. Позитивные смещения (куд) при длительной деполяризации называются аккомодацией то есть приспособлением ткани к току. Аккомодация объясняется частичной инактивацией натриевых каналов а активацией калиевых. Аккомодационную способность измеряют величиной критического наклона или критического градиенте линейно нарастающего стимула.
Закон длительного раздражения - Раздражающее действие тока зависит не от абсолютного значения силы или плотности тока а от быстроты изменения тока во времени. Чем быстрее это изменение тем сильнее выражено раздражающее действие. Каждому напряжению тока соответствует минимальная длительность его воздействия на ткань, необходимая для того чтобы ток при данном напряжении мог вызвать возбуждение. Если при данном напряжении удлинять время прохождения тока через ткань сверх минимальной длительности, то никакого изменения в наступлении эффекта возбуждения не происходит, второй вспышки возбуждения не возникает.
6. Законы раздражения возбудимых тканей. Адекватные и неадекватные раздражители. Порог раздражения.Закон порога. Для возбудимых элементов существует минимальная сила раздражителя, необходимая для миним по величине возбуждения, получившая название порог возбуждения. Величина порога является мерой возбудимости ткани. Т.е. порог – минимальная сила раздражителя, при которой возникает минимальная величина возбуждения.
По своему физиологическому значению все раздражители делят на адекватные и неадекватные.
Адекватными называются те раздражители, которые действуют на данную биологическую структуру в естественных условиях, к восприятию которых она специально приспособлена и чувствительность к которым у нее чрезвычайно велика. Для палочек и колбочек сетчатки глаза адекватных раздражителем являются лучи видимой части солнечного спектра, для тактильных рецепторов кожи - давление, для вкусовых сосочков языка - разнообразные химические вещества. Неадекватными называются те раздражители, для восприятия которых данная клетка или орган специально не приспособлены. Так, мышца сокращается при воздействии кислоты или щелочи, электрического тока, внезапного растяжения, механического удара, быстрого согревания и т. д. Клетки значительно более чувствительны по отношению к своим адекватным раздражителям, чем к неадекватным. Это является выражением функционального приспособления, выработавшегося в процессе эволюции.
7. Нервные клетки, их классификация и функции. Особенности возникновения и распространения возбуждения в афферентных нейронах.Нервная система человека и животных состоит из нервных клеток, тесно связанных с глиальными клетками. Структурная классификация: На основании числа и расположения дендритов и аксона нейроны делятся на безаксонные, униполярные нейроны, псевдоуниполярные нейроны, биполярные нейроны и мультиполярные (много дендритных стволов, обычно эфферентные) нейроны.Безаксонные нейроны — небольшие клетки, сгруппированы вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях, не имеющие анатомических признаков разделения отростков на дендриты и аксоны. Все отростки у клетки очень похожи. Функциональное назначение безаксонных нейронов слабо изучено.Униполярные нейроны — нейроны с одним отростком, присутствуют, например в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге.Биполярные нейроны — нейроны, имеющие один аксон и один дендрит, расположенные в специализированных сенсорных органах — сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях.Мультиполярные нейроны — нейроны с одним аксоном и несколькими дендритами. Данный вид нервных клеток преобладает в центральной нервной системе.Псевдоуниполярные нейроны — являются уникальными в своём роде. От тела отходит один отросток, который сразу же Т-образно делится. Весь этот единый тракт покрыт миелиновой оболочкой и структурно представляет собой аксон, хотя по одной из ветвей возбуждение идёт не от, а к телу нейрона. Структурно дендритами являются разветвления на конце этого (периферического) отростка. Триггерной зоной является начало этого разветвления (т. е. находится вне тела клетки). Такие нейроны встречаются в спинальных ганглиях. Функциональная классификация.По положению в рефлекторной дуге различают Афферентные нейроны (чувствительный, сенсорный или рецепторный). К нейронам данного типа относятся первичные клетки органов чувств и псевдоуниполярные клетки, у которых дендриты имеют свободные окончания. Эфферентные нейроны (эффекторный, двигательный или моторный). К нейронам данного типа относятся конечные нейроны — ультиматные и предпоследние — не ультиматные. Ассоциативные нейроны (вставочные или интернейроны) — группа нейронов осуществляет связь между эфферентными и афферентными, их делят на комиссуральные и проекционные (головной мозг). Морфологическая классификацияМорфологическое строение нейронов многообразно. В связи с этим при классификации нейронов применяют несколько принципов: По форме клетки, нейроны могут быть сферическими, зернистыми, звездчатыми, пирамидными, грушевидными, веретеновидными, неправильными и т. д. По количеству отростков выделяют следующие морфологические типы нейронов: 1)униполярные (с одним отростком) нейроциты, присутствующие, например, в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге; 2) псевдоуниполярные клетки, сгруппированные вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях; 3) биполярные нейроны (имеют один аксон и один дендрит), расположенные в специализированных сенсорных органах — сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях; 4) мультиполярные нейроны (имеют один аксон и несколько дендритов), преобладающие в ЦНС.
Функции нерв кл-ок:состоит в передаче информации (сообщений, приказов или запретов) с помощью нервных импульсов. Нервные импульсы распространяются по отросткам нейронов и передаются через синапсы (как правило, от аксональной терминали на сому или дендрит следующего нейрона). Возникновение и распространение нервного импульса, а также его синаптическая передача тесно связаны с электрическими явлениями на плазматической мембране нейрона. Одним из ключевых механизмов в деятельности нервной клетки является преобразование энергии раздражитель в электрический сигнал (ПД).
8. Современные представления о процессе возбуждения. Местный процесс возбуждения (локальный ответ), его переход в распространяющееся возбуждение. Изменение возбудимости при возбуждении.
Возбуждение – клеток и тканей активно реагировать на раздражение. Возбудимость – это свойство ткани отвечать на возбуждение. 3 типа возбудимых тканей: нервная, железистая и мышечная.
Возбуждение представляет собой взрывной процесс, возникающий в результате изменения проницаемости мембраны под влиянием раздражителя. Это изменение вначале относительно невелико и сопровождается лишь небольшой деполяризацией, небольшим уменьшением мембранного потенциала в том месте, где было приложено раздражение, и не распространяется вдоль возбудимой ткани (это так называемое местное возбуждение). Достигнув критического – порогового - уровня, изменение разности потенциалов лавинообразно нарастает и быстро - в нерве за несколько десятитысячных долей секунды - достигает своего максимума.
Локальный ответ – добавочная деполяризация обусловленая повышением Na+-проводимости. Во время локальных ответов вход Na+ может существенно превосходить выход К+, однако Na+-ток еще не так велик, чтобы деполяризация мембраны стала достаточно быстрой для возбуждения соседних участков или генерации потенциала действия. Возбуждение развивается не полностью, т.е. остается локальным процессом и не распространяется. Локальный ответ такого типа может при небольших дополнительных стимулах, например синаптических потенциалах, легко переходить в полноценное возбуждение. Первые признаки локального ответа появляются при действии стимулов, составляющих 50-70% от пороговой величины. По мере дальнейшего усиления раздражающего тока локальный ответ увеличивается, и в момент, когда деполяризация мембраны достигает критического уровня, возникает потенциал действия.
ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМОСТЬ – обратно пропорциональна порогу электрического раздражения. Ее обычно измеряют на фоне покоя. При возбуждении этот показатель изменяется. Изменение электровозбудимости в ходе развития пика потенциала действия и после его завершения включает последовательно несколько фаз: 1. Абсолютная рефрактерность - т.е. полная невозбудимость, определяемая сначала полной занятостью "натриевого" механизма, а затем инактивацией натриевых каналов (это примерно соотвествует пику потенциала действия). 2. Относительная рефрактерность - т.е. сниженная возбудимость, связанная с частичной натриевой инактивацией и развитием калиевой активации. При этом порог повышен, а ответ [ПД] снижен. 3. Экзальтация - т.е. повышенная возбудимость - супернормальность, появляющаяся от следовой деполяризации. 4. Субнормальность - т.е. пониженная возбудимость, возникающая от следовой гиперполяризации.
9. Распространение возбуждения по нервным волокнам. Классификация нервных волокон (Эрлангер и Гассер). Трофическая функция нервных клеток.Основной функцией аксонов является проведение импульсов, возникающих в нейроне. Аксоны могут быть покрыты миелиновой оболочкой или лишены ее. Миелиновые волокна чаще встречаются в двигательных нервах, безмиелиновые преобладают в автономной (вегетативной) нервной системе. Миелиновая оболочка не покрывает сплошным покровом осевой цилиндр, а прерывается, оставляя открытые участки осевого цилиндра, называемые узловыми перехватами (перехваты Ранвье). Длина участков между этими перехватами различна и зависит от толщины нервного волокна: чем оно толще, тем длиннее расстояние между перехватами Безмиелиновые нервные волокна покрыты только шванновской оболочкой. Проведение возбуждения в безмиелиновых волокнах отличается от такового в миелиновых волокнах благодаря разному строению оболочек. В безмиелиновых волокнах возбуждение постепенно охватывает соседние участки мембраны осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона. Скорость распространения возбуждения по волокну определяется его диаметром. В нервных безмиелиновых волокнах, где процессы метаболизма не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии на возбуждение, распространение этого возбуждения идет с постепенным ослаблением — с декрементом. Декрементное проведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы.
У высших животных благодаря прежде всего наличию миелиновой оболочки и совершенства метаболизма в нервном волокне возбуждение проходит, не затухая, бездекрементно. Этому способствуют наличие на всем протяжении мембраны волокна равного заряда и быстрое его восстановление после прохождения возбуждения. В миелиновых волокнах возбуждение охватывает только участки узловых перехватов, т. е. минует зоны, покрытые миелином. Такое проведение возбуждения по волокну называется сальтаторным (скачкообразным). В узловых перехватах количество натриевых каналов достигает 12 000 на 1 мкм , что значительно больше, чем в любом другом участке волокна. В результате узловые перехваты являются наиболее возбудимыми и обеспечивают большую скорость проведения возбуждения. Время проведения возбуждения по миелиновому волокну обратно пропорционально длине между перехватами.
Проведение возбуждения по нервному волокну не нарушается в течение длительного (многочасового) времени. Это свидетельствует о малой утомляемости нервного волокна. Считают, что нервное волокно относительно неутомляемо вследствие того, что процессы ресинтеза энергии в нем идут с достаточно большой скоростью и успевают восстановить траты энергии, происходящие при прохождении возбуждения. В момент возбуждения энергия нервного волокна тратится на работу натрий-калиевого насоса. Особенно большие траты энергии происходят в перехватах Ранвье вследствие большой плотности здесь натрий-калиевых каналов. Нервный ствол образован большим числом волокон, однако возбуждение, идущее по каждому из них, не передается на соседние. Эта особенность проведения возбуждения по нерву носит название закона изолированного проведения возбуждения по отдельному нервному волокну. Необходимым условием проведения возбуждения в нерве является не просто его анатомическая непрерывность, но и физиологическая целостность. Если нарушить свойства мембраны волокна (перевязка, блокада новокаином, аммиаком и др.), проведение возбуждения по волокну прекращается. Другим свойством, характерным для проведения возбуждения по нервному волокну, является способность к двустороннему проведению. Нанесение раздражения между двумя отводящими электродами на поверхности волокна вызовет электрические потенциалы под каждым из них.
Дж. Эрлангер и X. Гассер (1937) впервые классифицировали нервные волокна по скорости проведения возбуждения. Различная скорость проведения возбуждения по волокнам смешанного нерва выявляется при использовании внеклеточного электрода. 1) А-волокна – толстые миелинизированные, диам 3-20 мкм, скорость проведения возб 5-120 м/с: альфа – волокна от мышечных рецепторов; бета – от тактильных и барорецепторов; гамма – двигательные волокна мышечных веретен, дельта – от терморецепторов, механорецепторов и болевых рецепторов. 2) В-волокна – миелиновые отростки диам 1-3 мкм и скоростью проведения возб 3-14 м/с. По ним в основном передается ощущение боли. 3) С-волокна – большинство безмиелиновых волокон, диам не более 2 мкм и скоростью проведения возб -0,5-2 м/с. Это волокна от болевых, хемо- и некоторых механорецепторов.