Лабораторный практикум_Физиология поведения

Межнейронные синапсы — специализированные контакты нервных клеток, проводящие импульсы в одном направлении.

Самостоятельно зарисовать и обозначить:

1. нервное волокно

2. пресинаптическая часть

3. микротрубочки

4. синаптические пузырьки с медиатором 5. пресинаптическая мембрана

6. синаптическая щель

7. постсинаптическая мембрана

По морфофункциональным признакам синапсы делятся на:

•химические (пузырчатые);

•электрические, характеризующиеся плотным прилежанием плазмолеммы двух нейронов.

Химические синапсы могут быть возбуждающие и тормозные. Для них характерно присутствие в пресинаптическом полюсе пресинаптических пузырьков, заполненных медиатором — веществом, участвующим в передаче возбуждения на постсинаптический полюс. Наиболее распространенными медиаторами являются норадреналин (в адренергических синапсах) и ацетилхолии (в холииергических).

11

В химическом синапсе различают пресинаптическую часть постсинаптическую часть и синаптическую щель. В пресинаптической части присутствуют пресинаптические пузырьки. В холинергических синапсах они светлые, в адренергических имеют плотную сердцевину и называются плотными пузырьками. Пресинаптическая часть заканчивается пресинаптической мембраной, на внутренней поверхности которой имеется пресинаптическое уплотнение. Постсинаптическая мембрана входит в состав постсинаптической части. Под ней находится постсинаптическое уплотнение. Между пресинаптической мембраной и постсинаптической мембраной находится синаптическая щель.

Контрольные вопросы:

1 Каковы эмбриональные источники развития нейронов и нейроглиальных клеток?

2 Каковы морфофункциональные особенности нейронов и нейроглиоцитов?

3 Расскажите о классификации нейронов.

4 Дайте классификацию нейроглиоцитов.

5 Какие виды нервных волокон существуют и каково их строение? 6 Обнаружено, что нервный импульс передается по одним нервным волокнам со скоростью 1-2 м/с, по другим — 5-120 м/с. Какие это волокна?

Подпись преподавателя

_______________________

«____»_____________ 201_

12

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2 ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ

1.Потенциал покоя (мембранный потенциал) клетки

2.Потенциал действия клетки

Важнейшим физическим явлением живых клеток и тканей является

генерация и распространение электрического биопотенциала.

Биопотенциалом называют разность электрических потенциалов, образующихся между двумя точками клеток в процессе их жизнедеятельности.

Рассмотрите модельную систему, представляющую полупроницаемую мембрану по одну сторону которой (слева 1) содержаться ионы калия, хлора

инесущие положительный заряд молекулы белка (+50 Белок; +50 К+; -100 Cl-

), а по другую сторону (права 2) находятся только ионы калия и хлора (+100 К+; -100 Cl-). Полупроницаемая мембрана пропускает неорганические анионы

икатионы, но непроницаема для молекул белка.

Общее число частиц по левую и правую сторону мембраны стремиться к равновесию в силу сохранения электронейтральности. Поэтому ионы калия устремляются из правой стороны (2) влево (1), а вслед за ними пойдут и ионы хлора. В результате концентрация ионов хлора слева (1) возрастает. Этот процесс будет продолжаться до установления равновесного состояния (равновесия Доннана). Между двумя сторонами мембраны образуется разность потенциалов, которая уравновешивает концентрационный градиент ионов.

Мембранная разность потенциалов можно рассчитать по формуле Нернста:

13

где с1 и с2 – молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура, F - постоянная Фарадея (96485 Кл/моль), Z – заряд иона.

Процесс движения ионов происходит самопроизвольно и не требует затрат энергии (АТФ), т.е. по градиенту концентрации. Однако клетка не достигает состояния равновесия, а поддерживает определенное соотношение ионов на наружной и внутренней поверхности своей мембраны - электрохимический градиент. Разность потенциала на мембране обеспечивают механизмы активного транспорта.

Активный транспорт – это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением, т.е. против градиента концентрации, с затратой энергии (АТФ).

Активный транспорт осуществляется посредством мембранных переносчиков – особых белковых молекул, работа которых сопряжена с гидролизом молекул АТФ.

за счет энергии,	за счет энергии,	за счет энергии,
освобождающейся при	освобождающейся при	освобождающейся при
гидролизе одной молекулы	гидролизе одной молекулы	гидролизе одной молекулы
АТФ, из клетки	АТФ, в клетку переносятся 2	АТФ, из клетки два протона
выкачиваются 2 иона	иона калия и выкачивается 3	водорода
кальция	иона натрия

Результатом процесса диффузии и активного транспорта является

потенциал покоя.

Потенциал покоя – это стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембран в невозбужденном состоянии.

Изменение ионной проницаемости мембраны вызывает изменение электрохимического состояния мембраны и ведет к возникновению электрического импульса.

14

Электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны, называется потенциалом действия, который обусловливает распространение возбуждения по нервным волокнам.

Ионные механизмы возникновения потенциала действия состоят в следующем:

1.Под влиянием порогового стимула повышается проницаемость клеточной мембраны для ионов Na+ и они лавинообразно устремляются по градиенту концентрации внутрь клетки. При этом они уносят с наружной поверхности мембраны положительные заряды, а проникая внутрь клетки, нейтрализуют отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны. В результате разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны круто снижается и доходит до нуля.

2.Ионы Na+ продолжают стремительно проникать через мембрану, и концентрация их в клетке резко возрастает. В результате внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд. Такое устранение исходной поляризации мембраны и изменение знака заряда ее наружной и внутренней поверхности на противоположный получило название «процесс деполяризации».

Разность электрических потенциалов в нервных клетках по разные стороны мембраны - 70 мВ. В возбудимых тканях определенные воздействия могут открывать катионные каналы, что ведет к снижению потенциала покоя, а затем к смене знака заряда на наружной и внутренней поверхности мембраны (деполяризация). Состояние деполяризации, возникшее на одном участке мембраны, передается на соседние. На пике деполяризации разность потенциалов достигает критического уровня (+40 мВ), который называется потенциалом действия. После этого Na -каналы закрываются, а К-каналы остаются открытыми. Происходит быстрая реполяризация мембраны, т.е. восстановление потенциала покоя на данном участке мембране. Потенциал действия генерируется в области аксонного холмика и перемещается вдоль аксона, вызывая выброс нейромедиатора. Волна деполяризации распространяется только в одном направлении.

15

3.Одновременно вследствие недостатка положительных зарядов наружная поверхность мембраны (за счет ионов С1- и анионов А-) приобретает отрицательный заряд. Таким образом, снова создается разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны, но уже

спротивоположным знаком: наружная поверхность несет отрицательный заряд, внутренняя — положительный. Этот процесс также включается в понятие «деполяризация мембраны». Фаза деполяризации длится от 0,5 до 1,5 мсек.

4.Амплитуда потенциала действия достигает своего пика в момент,

когда мембрана снова резко меняет свои свойства и опять становится трудно проницаемой для ионов Na+. К этому моменту амплитуда ПД превышает величину потенциала покоя на 30 — 50 мВ и достигает 100 —130 мВ. При этом имеется в виду абсолютная величина потенциала действия, отсчет которой ведется от уровня потенциала покоя (например, от — 80 мВ, как от 0) до максимального значения пикового потенциала.

5.Как только поступление ионов Na+ в клетку прекращается,

начинается следующая фаза перераспределения ионов — бурный выход из клетки К+. Перемещаясь по градиенту концентрации ионы К+ уносят из клетки положительные заряды и нейтрализуют отрицательный заряд наружной поверхности мембраны.

6.В результате активного выхода ионов К+ из клетки поляризация мембраны вновь падает до 0, а затем на ней восстанавливается исходное распределение зарядов и возникает исходная разность потенциалов (т. е. восстанавливается исходный уровень мембранного потенциала). Это восстановление исходного состояния поляризации получило название «процесс реполяризации» мембраны. Электрическим эквивалентом этого процесса является угасание потенциала действия, что соответствует нисходящей части кривой пикового потенциала. Фаза реполяризации длится от 0,5 до 1,5 мсек.

Величину пикового потенциала можно вычислить по уравнению Нернста, основываясь на разности концентраций ионов Na+:

где ЕПД — величина потенциала действия (остальные		обозначения	и
порядок	вычисления), R – газовая постоянная = 8,316	Дж/градус, Т	–

абсолютная температура, в Кельвинах (Т = t + 273), n – валентность иона (в

данном случае 1), F – число Фарадея = 96 500 Кулонов,		–
концентрация ионов натрия внутри клетки
16

Отсюда, принимая, что t = 18°, а отношение

получаем:

Потенциал будет иметь отрицательный знак на наружной поверхности мембраны по отношению к ее внутренней поверхности и к окружающим невозбужденным тканям. При внутриклеточном отведении он будет представлять положительное колебание потенциала. В силу того, что при обычных (не внутриклеточных) способах регистрации возбуждение ткани сопровождается развитием в ней отрицательного потенциала, принято оценивать знак ПД отдельных клеток по наружной поверхности мембраны, т. е. считать ПД клетки отрицательным потенциалом.

Полученная путем расчетов величина ПД представляет собой потенциал равновесия для ионов Na+, который развивается на мембране после компенсации потенциала покоя. Отсюда абсолютная величина ПД, соответствующая его амплитуде при внутриклеточном отведении, представляет сумму «компенсирующего потенциала» (равного потенциалу покоя) и потенциала равновесия для ионов Na+. Если предположить, что в. разбираемом случае мембранный потенциал равнялся, например, — 62 мВ, то внутриклеточный электрод зарегистрировал бы колебание потенциала от —62 мВ до + 58 мВ. И тогда абсолютная величина ПД составила бы: 62 мВ + 58 мв=120 мВ.

Решение задач

Задача 1. Вычислить величину мембранного потенциала Мембранный потенциал в основном создается за счет разности

концентраций по обе стороны мембраны ионов К+- Следовательно, в первом приближении, в тех случаях когда не требуется высокая точность расчетов, величину мембранного потенциала можно вычислить по уравнению Нернста, основываясь на концентрации калия:

17

Примем, что определение концентрации ионов проводилось на нервном волокне лягушки при 18°С, а полученные результаты показали:

Тогда, переходя на численные значения и десятичные логарифмы получаем:

или

Отсюда: 58 · lg (30) = 58 · 1,48 = 85,8 мВ.

Следовательно, разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны одиночного мышечного волокна, или мембранный потенциал (потенциал покоя), при данном соотношении концентраций ионов К+ составляет 85,8 мВ.

Потенциал берется со знаком минус, так как при внутриклеточном отведении он имеет отрицательный знак по отношению к наружной поверхности клетки и окружающим невозбужденным тканям.

Задача 2. Вычислить величину потенциала действия отдельной клетки по данным распределения основных электрогенных ионов. Вычислите абсолютную величину амплитуды потенциала действия нервной клетки, если известно, что распределение ионов К+ характеризуется отношением 1 : 40, a Na+ - 1 : 8. Экспериментальное определение концентрации ионов проводилось при 22°.

Задача 3. Рассчитайте амплитуду ПД, если концентрация калия и натрия внутри клетки нервной ткани соответственно 125 ммоль/л, 1,5 ммоль/л, а снаружи 2,5 ммоль/л и 125 ммоль/л.

Задача 4. Концентрация ионов (ммоль/л) между двумя сторонами клеточной мембраны в мышце лягушки имеет следующее значение: Na (120 / 9,2), К (2,5 / 140), Cl (120 / 5), где цифры относятся к внешней/внутренней стороне мембраны, соответственно. Дать сравнительный анализ при условии, что экспериментальная величина составляет –90мВ.

18

Задача 5. Концентрация ионов (ммоль/л) между двумя сторонами клеточной мембраны в аксоне кальмара имеет следующее значение: Na (460 / 50), К (10 / 400), Cl (540 / 40-100), Ca (10 / 0,4), Mg (53 / 10), где цифры относятся к внешней/внутренней стороне мембраны, соответственно. Определить разность потенциалов на мембране в случае пассивного транспорта каждого типа ионов. Дать сравнительный анализ при условии, что экспериментальная величина составляет –60мВ.

Задача 6. Концентрация ионов (ммоль/л) на внешней стороне клеточной мембраны в мышце лягушки имеет следующее значение: Na =125, К=2,5, Cl=120. Определить концентрацию ионов (в случае пассивного транспорта) на внутренней стороне клеточной мембраны, если разность потенциалов на мембране составляет –94мВ.

Задача 7. Концентрация ионов (ммоль/л) на внутренней стороне клеточной мембраны в аксоне кальмара имеет следующее значение: Na=70, К=360, Cl=160, Ca=0,4, Mg=10. Определить концентрацию ионов (в случае пассивного транспорта) на внешней стороне клеточной мембраны, если разность потенциалов на мембране составляет –60мВ.

Контрольные вопросы:

1.Какой транспорт ионов создает мембранную разность потенциалов: пассивный или активный?

2.Что больше: скорость распространения электрического сигнала по проводам морского телеграфа или скорость распространения нервного импульса по мембране аксона? Почему?

3.Как соотносятся проницаемости мембраны аксона нервной клетки для различных ионов в покое и при возбуждении?

Подпись преподавателя

_______________________

«____»_____________ 201_

19

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕРВНЫХ КЛЕТОК ЦНС

1.Проведение возбуждения по нервному волокну

2.Механизм передачи сигнала в химических синапсах

3.Механизм передачи сигнала в электрических синапсах

Нейроны ЦНС посылают импульсы друг другу по аксонам (нервным волокнам), которые дихотомически делятся и образуют синапсы на теле или дендритах других нейронов.

Для проведения нервного импульса необходимо наличие на всем протяжении или в отдельных, но повторяющихся участках, нервных волокон потенциал чувствительных натриевых ионных каналов. В зависимости от расположения и концентрации таких ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения потенциала действия (т.е. нервного импульса).

Непрерывное проведение нервного импульса – осуществляется в безмиелиновых волокнах.

При этом между возбужденным и невозбужденным участками мембраны нервного волокна возникают локальные электрические токи, которые, вызывающие деполяризацию мембраны невозбужденного участка, после чего открываются потенциал чувствительные натриевые каналы.

Укажите направление распределения ПД

Сальтаторное проведение нервного импульса осуществляется в миелиновых волокнах.

Потенциал чувствительные натривые ионные каналы локализованы только в участках мембраны перехватов Ренвье. В области миелинизации таких каналов нет, вследствие чего мембрана там не возбудима. Поэтому распространение возбуждения происходит скачкообразно.

Укажите направление распределения ПД

20