Вопрос 15

Функциональные структуры клеточной мембраны нейронов

Клеточная мембрана определяет многие свойства нервных клеток, их форму, поведение, способности восприятии, генерации и передачи нервного импульса. В состав мембраны нейрона входят белки (60%), липиды (35-40%) и углеводы (до 5%), около 20% клеточной мембраны составляет вода. Липиды формируют сложную бимолекулярную оболочку, которую снаружи покрывает надмембранный слой гликокаликса (glycocalyx). Молекулы липидов разделены на две функциональные части: гидрофобные неполярные, не несущие заряд «хвосты» молекулы жирных кислот, и гидрофильные полярные, заряженные «головки».

Мембранные липиды могут находиться в нескольких фазовых состояниях, обладая мезоморфизмом. В результате мезоморфизма мембрана может изменять плотность упаковки, благодаря чему в клетку и из нее могут проникать крупные молекулы и ионы.Важнейшим компонентом мембраны нервной клетки являются белки, которые, как и липиды имеют полярные и неполярные участки. Неполярные участки белковых молекул, состоящие из неполярных аминокислот погружены в гидрофобную часть билипидного слоя. Полярная часть белковой молекулы обращена в сторону водной фазы. Внешне такие белки как бы пронизывают мембрану, поэтому их называют интегральными белками. Кроме интегральных белков, существуют белки, полуинтегральные и примембранные. Каждая группа играет важную роль в работе мембраны: одни являются ферментами (примембранные белки), другие служат переносчиками, третьи обеспечивают рецепторные функции или являются структурным компонентом мембраны.

Мембрана нервной клетки обеспечивает резкое ограничение свободной диффузии веществ между матриксов (внутренним содержимым) и окружающей средой и наоборот. Важно поступление в клетку веществ необходимо для синтеза клеточных структур, выработки энергии, регуляции физико-химического состояния внутриклеточной среды.

Вопрос 12

Транспорт веществ и ионные каналы

Транспорт принято разделять на перемещение веществ без затраты энергии, т.е. пассивно и перемещение веществ с затратой энергии, т.е. активно. В случае пассивного транспорта движущей силой служит разность концентраций или зарядов. Вещества из большей их концентрации движутся в сторону меньшей их концентрации, т.е. по градиенту. Перемещению веществ через мембрану способствуют специальные, заполненные жидкостью белковые структуры, которые называются ионные каналы.

Определение_1Ионный канал – это трансмембранный белок, образующий ионоселективную пору заполненную водой, обеспечивающую ионный обмен и проницаемость мембраны

Ионные каналы обеспечивают свойство селективности и проводимости мембраны нервной клетки. Селективность (избирательность), обусловлена белковой структурой, канал, как правило, не однороден, имеет воротные механизмы входа и выхода. В случае активного транспорта движение вещества или заряда происходит благодаря наличию особых мембранных структур, которые работают против градиента с затратой энергии. Такими мембранными структурами являются белковые молекулы-насосы, например Na/K-, Ca-, H-АТФазы. Определение_2Ионный насос – это транспортная система, обеспечивающая пе­ренос иона с затратой энергии вопреки концентра­ционному и электрическому градиентам. Эти молекулы обладают свойством переносчика и ферментативной активностью в отношении молекулы АТФ. Работу молекулы Na/K-АТФазы обеспечивает явление, которое получило название аллостерический эффект.

Определение_3Изменение конформации фермента²в результате взаимодействия его определенного участка с ингибитором или активатором называется аллостерическим эффектом. Пер­вичная структура белка, состоящая из одной или более аминокислотной цепочки, свернута в сложную конформационную форму – третичную структуру. Третичная структура стабилизирована «слабыми» связями: водород­ными, гидрофобными, вандерваальсовыми. В результате взаимодействия (вовлечения) в молекулу белка вещества способного изменить химические свойства молекулы, происходит изменение и ее пространственной формы, ее конформации. В этом заключается аллостерический эффект.

Вопрос_17

Медиаторы и рецепторы нервных клеток

Медиаторами ЦНС являются многие химические вещества, разнородные в структурном отношении (в головном мозге обна­ружено около 30 биологически активных веществ).Широко распространенным медиатором является ацетилхолин. Ацетилхолин используется в различных отделах ЦНС, извес­тен в основном как возбуждающий медиатор. Ацетилхолин является медиатором α-мотонейронов спинного мозга, иннервирующих ске­летную мускулатуру. С помощью ацетилхолина α-мотонейроны передаютвозбуждениена тормозные клетки Реншоу. При нарушении синтеза ацетилхолина развивается миастения и старческая деменция (болезнь Альгеймера).Ацетилхолин взаимодействует с М- и N-холинорецепторами нервных клеток.

Вопрос_18

Потенциал покоя нервной клетки

Особенности строения клеточной мембраны нервных клеток и наличие в ней транспортной системы³с избирательным накоплением одних ионов внутри клетки и выведением других ионов в межклеточную среду ведет к возникновению разности концентраций ионов на мембране. Поскольку ионы являются электрически заряженными частицами, разность концентраций на наружной и внутренней мембране вызывает возникновение электрического напряжения (потенциала). В результате на мембране нервной клетки формируется электрохимическая разность потенциалов (электрохимический градиент), а собственно мембрана становиться своеобразным биологическим конденсатором.Определение_1Разность электрических потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны, в невозбужденном состоянии, называется потенциалом покоя.

В формировании электрической разности на мембране в состоянии покоя преимущественное значение имеет транспорт ионов калия. Используя метод меченных изотопов (⁴²К) было установлено, что не менее 90% внутриклеточного калия свободно диффундирует и перемещается через мембрану клетки. Учитывая то, что внутри клетки концентрация ионов калия в 10-20 раз больше, чем снаружи, происходит диффузия этих ионов, которая определяет формирование мембранного потенциала (биопотенциала мембраны).

Вопрос_19

Потенциал действия нервной клетки

Потенциал действия нервной клетки – это электрический процесс, выражаю­щийся в быстром колебании мембранного потенциала и распространяющийся без затухания (без декремента)

Величину потенциала действия определяют ионы натрия.Величину мембранного потенциала действия можно оценить по уравнению

Величина ПД нейрона колеблется в пределах 80-110 мВ.

Правило_4Ампли­туда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего». В составе ПД различают три фазы (рассмотрите рисунок 2): 1.фаза - деполяризация, т.е. исчезновение заряда клетки - уменьшение мембранного потен­циала до нуля; 2.фаза - инверсия, изменение заряда клетки на противоположный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается.3.фаза - реполяризация, восстановление исходного за­ряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная – положительно.

Фаза реполяризации длится от 0,5 до 1,5 мс.В условиях кислородного голодания тканей (например, при наличии большого кислородного долга во время мышечной работы) процесс возбуждения также нарушается из-за поражения меха­низма вхождения в клетку ионов натрия, и клетка становится невозбу­димой.

Вопрос_16

Проведение импульса по нервным волокнам

Потенциалы действия (импульсы возбуждения) обладают способностью распространяться вдоль по нервным и мышечным волокнам. Потенциалы могут быть локальными, они распространяются на небольшие расстояния 1-2 мм с затуханием (декрементом) и импульсными. Импульсные потенциалы распространяются без декремента на значительные расстояния – до нескольких десятков сантиметров. Локальные потенциалы возникают в ответ на действие подпорогового раздражителя, например, на мембране рецепторной клетки.

Возникший ПД обеспе­чивает открытие потенциал зависимых Na-каналов на соседнем участке мембраны нервного волокна и движение ионовNa⁺ внутрь волокна, что обеспечивает развитие критического уровня деполяризации на соседнем участке нервного волокна и возникновение нового ПД. Непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых импульсов по эстафете, когда каждый возникший импульс является раздражителем для соседнего участка нервного волокна и обеспечивает возникновение нового ПД.

2. Сальтаторное проведение нервного импульса (ПД) осуществ­ляется в миелиновых волокнах, так как у них потенциал чувствительные ионные каналы локализованы только в участках мембраны перехватов Ранвье, где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм². В области межузловых сегментов, обладающих высокими изолирующими свойствами, потенциал чувствительных каналов нет, вследствие чего мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. Поэтому ПД, возникший в одном пере­хвате Ранвье распространяется через межузловой сегмент до соседнего перехвата, деполяризует мембрану до критического уровня и вызывает возникновение потенциала действия.

Сальтаторное проведение нервных импульсов является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позво­ночных в связи с миелинизацией нервных волокон. Оно имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным механизмом проведения возбуждения:

• более экономично по затрате энергии, так как возбужда­ются только перехваты Ранвье, площадь которых составляет менее 1% от площади мембраны волокна, следовательно, требуется меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов ионов натрия и калия;

• возбуждение проводится с большей скоростью (до 120 м/с), чем в безмиелиновых волокнах (0,5-2,0 м/с).

В связи с этими приемуществами миелиновые волокна в нервной системе сформировались там, где необходима наиболее быстрая регуляция функций. Все особенности распространения возбуждения в ЦНС объясняются ее нейронным строением: наличием химических синапсов, многократным ветвлением аксонов нейронов, наличием замкнутых нейронных путей.

1

2

3