Физиология нервной системы

• 1 слайд

  Цикл лекций по физиологии нервной системы
  2011-2012 г.г.
  Электрогенез клетки. Мембранный потенциал
  Электрические сигналы, (локальный потенциал и потенциал действия)
  Ионные каналы
  Лекция 1
  Член-корр. РАН Лев Гиршевич Магазаник
  Медицинский факультет СПбГУ
  

• 2 слайд

  1. Электрогенез клетки. Мембранный потенциал
  

• 3 слайд

  Схема строения клеточной мембраны
  Мембрана – крепостная стена и одновременно ворота для входа в клетку и выхода из нее
  Ее основа – бислой фосфолипидных молекул с включениями молекул холестерина
  Фосфолипид –производное трехосновного спирта глицерина, образующего эфирные связи с двумя жирными кислотами и через фосфорную кислоту с азотистым основанием
  
  
  

• 4 слайд

  Два основных пути ионов через мембрану клетки
  Облегченная диффузия
  Активный транспорт
  

• 5 слайд

  Схема опыта по измерению мембранного потенциала клетки
  K+= 140 mM
  K+= 4 mM
  Уравнение Нернста
  

• 6 слайд

  
  Органические 15 11 137
  анионы
  Концентрация ионов в цитозоле и внеклеточной среде (в мМ/л)
  

• 7 слайд

  Na-K транспортер – (Na-K-АТФаза) восстанавливает ионный градиент между клеткой и окружающей средой
  Реально из клетки выходит очень мало ионов калия, тем не менее их потерю надо восполнять – эта роль отведена Na/K-АТФазе.
  Энергия, освобождаемая при гидролизе АТФ, обеспечивает перенос ионов Na+ и К+
  

• 8 слайд

  Ионные потоки через мембрану клетки
  Снаружи
  Внутри
  Мало калия
  Много натрия
  Много калия
  Мало натрия
  Высокая калиевая проницаемость
  Низкая натриевая проницаемость
  Активный транспорт калия внутрь и натрия наружу
  

• 9 слайд

  нейроны -50 mV to -80 mV
  
  фоторецепторы-40 mV
  
  поперечнополосатая
  мышца -90 mV
  
  эритроциты -60 mV
  
  гепатоциты -35 mV
  
  
  водоросли-150 mV
  
  листья-100 mV
  Величины мембранного потенциала в разных клетках
  

• 10 слайд

  2. Электрические сигналы, возникающие в нервной клетке (локальный потенциал и потенциал действия)
  

• 11 слайд

  Типы локальных потенциалов
  Локальные потенциалы градуальны:
  1 и 2 гиперполяризующие (тормозящие)
  3 деполяризующий (возбуждающий)
  Потенциал действия имеет
  стандартную амплитуду:
  4 если амплитуда возбуждающего потенциала достигает уровня порога (порогового потенциала), возникает потенциал действия
  

• 12 слайд

  Пассивное распространение электротонического потенциала вдоль нервного проводника (с декрементом, т.е. затуханием)
  Большинство нервных сигналов локальны, т.е. эффективны только вблизи места их генерации
  Локальные потенциалы
  

• 13 слайд

  Если локальный деполяризующий стимул достиг уровня порога, то появляются условия для генерации потенциала действия
  Порог
  Пот. покоя
  Пот. действия
  

• 14 слайд

  Hodgkin & Huxley, 1939 Action potential measured at a point
  Потенциал действия
  Обладает относительно постоянной амплитудой, подчиняется закону «все или ничего», воспроизводится по мере распространения
  по нерву.
  Поэтому нервный импульс может передаваться на большие расстояния
  Потенциал покоя (мВ)
  

• 15 слайд

  Возбуждающий стимул
  Начальный этап генерации потенциала действия
  Все начинается с появления локального потенциала. Если его амплитуда достигает определенного уровня (порогового), происходит переход к следующему этапу …
  Локальный потенциал
  Порог
  

• 16 слайд

  Локальный потенциал активирует сначала небольшое число самых чувствительных Na-каналов, но входящий через них Na+ дополнительно деполяризует мембрану, что при достижении порога вызывает лавинообразное открытие большинства Na-каналов и тем самым глубокую деполяризацию мембраны
  Положительная обратная связь
  Входящий
  Na ток
  Деполяризация
  Больше открытых
  Na каналов
  Порог генерации потенциала действия
  

• 17 слайд

  Когда большинство натриевых каналов открыты – потенциал на мембране во время пика достигает уровень натриевого равновесного потенциала ЕNa
  
  При этом разность потенциалов на мембране начинает превышать исходный (в покое). Происходит на короткое время смена знака зарядов на поверхности мембраны - овершут
  Пик потенциала действия (ПД)
  овершут
  

• 18 слайд

  
  
  Натриевые каналы могут находиться в открытом состоянии в течение короткого периода – происходит их инактивация
  
  По мере достижения максимума входящего тока натриевые каналы начинают закрываться. Происходит переход к следующей фазе – спаду потенциала действия
  
  Начало спада потенциала действия
  инактивация
  активация
  Na+
  Na+
  

• 19 слайд

  Уже в фазу роста ПД по мере быстро нарастающего натриевого тока начинают медленно открываться калиевые каналы, что ускоряет спад входящего тока через мембрану
  Na+
  K+
  

• 20 слайд

  Ток через открытые калиевые каналы сдвигает мембранный потенциал к уровню калиевого равновесного потенциала
  (следовая гиперполяризация)
  Na+
  K+
  

• 21 слайд

  Конечный этап генерации потенциала действия
  Часть калиевых каналов закрывается и мембранный потенциал медленно возвращается к исходному уровню покоя
  

• 22 слайд

  Потенциал действия – результат суммирования разнонаправленных (натриевый ток внутрь, калиевый ток наружу) и сдвинутых по временной шкале ионных токов через соответствующие потенциалзависимые натриевые и калиевые каналы.
  

• 23 слайд

  Последовательность открывания-закрывания натриевых и калиевых каналов во время генерации потенциала действия
  

• 24 слайд

  Различия в кинетике процессов активации и инактивации натриевых и калиевых каналов предопределяют феномен существование рефрактерных периодов
  абсолютный
  относительный
  Рефрактерные периоды ограничивают максимальную частоту следования потенциалов действия
  

• 25 слайд

  Перерыв
  

• 26 слайд

  3. Проведение нервного импульса по аксонам нейрона
  

• 27 слайд

  Структура нейрона
  

• 28 слайд

  До этого охлажденного места доходит постоянный по амплитуде потенциал действия
  А дальше он преформируется в локальный потенциал (с декрементом!)
  Блокирование распространения потенциала действия охлаждением участка нерва
  

• 29 слайд

  Потенциал действия будет распространяться по нерву быстро и без потерь на значительные расстояния, если
  
  
  Нерв имеет достаточно большой диаметр
  Нерв окутан изоляцией (оболочкой из миелина)
  1 –2 мк
  100-200 мк
  Милиенизированный двигательный нерв позвоночных
  

• 30 слайд

  Миелинизированный (мякотный) нерв
  

• 31 слайд

  Стимул
  Миелиновая оболочка
  Аксон
  Проведение локального потенциала под оболочкой (декремент)
  Генерация потенциала действия (ПД) в перехвате Ранвье
  Сальтаторное проведение по нерву
  ПД
  ПД
  

• 32 слайд

  4. Ионные каналы – молекулярная основа
  генерации клеточных сигналов
  

• 33 слайд

  Ионные каналы и другие интегральные белки в фосфолипидной мембране
  Общая схема строения ионного канала
  

• 34 слайд

  Внутри клетки
  Снаружи клетки
  Na+
  Ca2+
  Cl-
  K+
  Ацетилхолиновый рецептор в липидном бислое мембраны
  

• 35 слайд

  Субъединичное строение ацетилхолинового рецептора
  

• 36 слайд

  Потенциалозависимые
  Закрытый Открытый
  Механочувствительные
  Лигандуправляемые
  Снаружи
  Изнутри
  Основные типы ионных каналов
  

• 37 слайд

  Регистрация одиночных ионных каналов
  (patch clamp)
  

• 38 слайд

  Регистрация одиночных ионных каналов (patch clamp)
  

• 39 слайд

  Примеры одиночных ионных каналов, зарегистрированных методом пэтч-клемп
  Глутаматный рецептор
  Ацетилхолиновый рецептор
  Глициновый рецептор
  

• 40 слайд

  Инъекция мРНК, выделяемой из мозговой ткани в ооциты лягушки Xenopus и регистрация ответов экспрессированных рецепторов
  

• 41 слайд

  Клонирование генов определенных каналов и рецепторов, создание библиотек генов и последующее их использование
  

• 42 слайд

  Субъединица калиевого канала похожа на домен натриевого канала
  Трехмерная структура калиевого канала
  Структура потенциалзависимого калиевого канала
  

• 43 слайд

  Селективный фильтр
  Na+ канала
  
  Узкий участок водной поры
  канала, определяющий тип
  иона, способного пройти через канал, когда он открыт.
  Здесь же ион натрия
  теряет свою водную «шубу».
  
  
  

• 44 слайд

  Поперечный срез трехмерной структуры калиевого канала
  

• 45 слайд

  K+ канал в мембране бактерии (структура по данным кристаллографии)
  Doyle et al, 1998
  

• 46 слайд

  AMPA рецептор
  Молекулярные модели селективных фильтров открытых каналов глутматных рецепторов NMDA и AMPA типов
  NMDA рецептор
  

• 47 слайд

  Токсины, действующие на Na+ канал
  Рыба кузовок содержит tetrodotoxin, сильнейший яд.
  Batrachotoxin содержится в коже колумбийских лягушек. Яд в 250 раз сильнее стрихнина.
  

• 48 слайд

  Химические структуры веществ, блокирующих натриевые (TTX, procaine) и калиевые (ТЕА) каналы возбудимой мембраны.
  С их помощью удается разделить натриевые и калиевые токи, порождающие потенциал действия
  

• 49 слайд

  Разделение натриевых и калиевых токов, лежащих в основе потенциала действия
  Суммарный ток
  Натриевые каналы заблокированы, регистрируется медленный, выходящий калиевый ток
  Калиевые каналы заблокированы, регистрируется быстрый входящий натриевый ток
  
  

• 50 слайд

  Сравнение локального потенциала и потенциала действия
  

• 51 слайд

  Вопросы?
  

• 52 слайд

• 53 слайд

  Ионные каналы клонированы, изучены аминокислотные последовательности их полипептидных цепей и топография в мембране