Механізм роботи натрій-калієвого насоса. НКН за один цикл переносить 3 іона Na + з клітини і 2 іона K + в клітину. Це відбувається через те. що молекула інтегрального білка може перебувати в 2 положеннях. Молекула білка, що утворює канал, має активний ділянку, який зв'язує або Na +, або K +. У положенні (конформації) 1 вона звернена всередину клітини і може приєднувати Na +. Активується фермент АТФаза, розщеплює АТФ до АДФ. Внаслідок цього молекула перетворюється в конформацію 2. У положенні 2 вона звернена поза клітиною і може приєднувати K +. Потім конформація знову змінює і цикл повторюється.
Іонні канали - інтегральні білки, які забезпечують пасивний транспорт іонів за градієнтом концентрації. Енергією для транспорту служить різниця концентрації іонів по обидві сторони мембрани (трансмембранний іонний градієнт).
Неселективні канали мають такі властивості:
• пропускають всі типи іонів, але проникність для іонів K + значно вище, ніж для інших іонів;
• завжди знаходяться у відкритому стані.
Селективні канали мають такі властивості:
• пропускають тільки один вид іонів; для кожного виду іонів існує свій вид каналів;
• можуть перебувати в одному з 3 станів: закритому, активованому, інактивована.
Виборча проникність селективного каналу забезпечується селективним фільтром, який утворений кільцем з негативно заряджених атомів кисню, яке знаходиться в найвужчому місці каналу.
Зміна стану каналу забезпечується роботою воротного механізму, який представлений двома білковими молекулами. Ці білкові молекули, так звані активаційні ворота і інактіваціонние ворота, змінюючи свою конформацію, можуть перекривати іонний канал.
У стані спокою активаційні ворота закриті, інактіваціонние ворота відкриті (канал закритий). При дії на ворітну систему сигналу активаційні ворота відкриваються і починається транспорт іонів через канал (канал активований). При значній деполяризаціїмембрани клітини інактіваціонние ворота закриваються і транспорт іонів припиняється (канал инактивирован). При відновленні рівня ПП канал повертається у вихідне (закрите) стан.
Залежно від сигналу, який викликає відкриття активаційних воріт, селективні іонні канали поділяють на:
• хемочувствітельності канали - сигналом до відкриття активаційних воріт є зміна конформації асоційованого з каналом білка-рецептора в результаті приєднання до нього лиганда;
• потенціалчувствітельние канали - сигналом до відкриття активаційних воріт є зниження ПП (деполяризація) клітинної мембрани до певного рівня, який називають критичним рівнем деполяризації (КУД).
Механізм генерації потенціалу дії
Нейрон на відміну від інших клітин здатний збуджуватися. Під порушенням нейрона розуміють генерацію нейроном потенціалу дії - хвиля збудження, що передається по мембрані живої клітини в процесі передачі нервового імпульсу.
При проходженні електричного струму в напрямку поляризації ПП зростає - це явище гіперполяризації. При проходженні струму в зворотному напрямку ПП знижується - деполяризація.
ПП можна знижувати тільки до певного моменту. Після того як ПП опускається до 0, відбувається зміна полярності, в клітці виникає поширюється електричний процес - потенціал дії (ПД).
У мембрані є багато каналів, які пропускають іони. Існують транспортні механізми: комплексони і т.д. Але є канал, що працюють проти електричного градієнта - енерговитратні канали.
При певному рівні відкриваються натрієві канали - критичний рівень деполяризації. Він на 10-15% нижче рівня поляризації спокою. Це потенціалзалежні канали. Вони, на відміну від калієвих каналів, відкритих завжди, працюють тільки після критичного рівня деполярізаціі- величина мембранного потенціалу, при досягненні якого виникає ПД.
Як тільки канал відкривається, в цитоплазму нейрона спрямовуються з міжклітинної середовища іони натрію. яких там приблизно в 50 разів більше, ніж в цитоплазмі. Такий рух іонів є наслідком простого фізичного закону: іони рухаються по концентраційному градієнту. Таким чином. в нейрон надходять іони натрію, вони заряджені позитивно. Іншими словами, через мембрану буде протікати вхідний струм іонів натрію, який буде зміщати потенціал мембрани в бік деполяризації, т. Е. Зменшувати поляризацію мембрани. Чим більше іонів натрію увійде в цитоплазму нейрона, тим більше його мембрана деполяризуется. Потенціал на мембрані буде збільшуватися, відкриваючи все більшу кількість натрієвих каналів. Усередині виявляється дуже багато катіонів K + і Na +. Але цей потенціал буде рости не нескінченно, а тільки до тих пір, поки не стане рівним приблизно +55 мВ. Цей потенціал відповідає присутнім в нейроні і поза ним концентрацій іонів натрію, тому його називають натрієвих рівноважним потенціалом. Згадаймо, що в спокої мембрана мала потенціал -70 мВ, тоді абсолютна амплітуда потенціалу складе величину близько 125 мВ.
Після досягнення натрієвого рівноваги натрієві канали закриваються білкової пробкою. Це так звана «натрієва інактивація». Мембрана стає непроникною для натрієвих іонів. Для того щоб потенціал мембрани повернувся до вихідного стану-станом спокою. необхідно, щоб з клітки виходив ток позитивних частинок. Тут на допомогу приходять енерговитратні канали - натрієво-калієвий насос. Потрібна додаткова енергія, яка виходить з розщеплення 3-фосфату (АТФ) до 2-фосфату (АДФ), Ця система повертає клітку до вихідного рівня поляризації мембрани. Ці канали працюють весь час. Енерговитратні канали - потенціалнезавісімие. В результаті цих процесів мембрана нейрона повертається до стану спокою (-70 мВ) і нейрон готується до наступного акту збудження.
Правило «все або нічого»: хоч як мене впливати на клітину, до досягнення рівня деполяризації вона не згенерує ПД. Якщо клітина створює ПД, то тільки відповідний ПП (ПД прямопропорційно залежить від ПП). Це правило працює тільки зовні клітини.
Слідові процеси: через певні час після генерації ПД що б не робити з кліткою, вона не зможе згенерувати новий ПД, так ще не відновився вихідний рівень деполяризації. Це рефрактерний період-клітина не реагує ні на що.
Через деякий час виникає змінений ПД - період відносної рефрактерності (відповідає або більшого, або меншого ПД). Тільки після відновлення ПП клітина може створити нормальний ПД. ПД не сумуються. ПД виникає в аксонів горбочку - це місце, де мембрана соми переходить в аксон. ПД НЕ градієнтний процес. ПД-зміна заряду мембрани.
8. Механізм поширення потенціалу дії по волокну
ПД виникає в аксонів горбочку - це місце, де мембрана соми переходить в аксон. За волокну потенціал поширюється. Мембрана в місці виникнення потенціалу починає деполярізованнимі і потенціал переходить на сусідню ділянку і т.д. У нервових волокнах імпульс переміщується майже без втрат, тому що кожен ПД виникає на новому месте.На міелінізірован.участках ПД завжди однаковий.
У неміелінізірованнимі волокні принцип той же, але електричний струм працює тільки на перехоплення Ранвей. ПД завжди новий, але він ідентичний попередньому на неміліенізірованих. (Сальтомоторное проведення). ПД як би перестрибує на іншу ділянку аксона (швидкість проведення збільшується)
9. Потенціал дії і його властивості
Виникає в аксонів горбочку
Тривалість ПД = 1-2 мс
Після генерації ПД настає період рефрактерності, рівний по тривалості ПД
Величина ПД = +50 мВ, абсолютна величина (амплітуда коливання) = 125 мВ.
ПД не сумуються.
Розповсюджується по нервовому волокну.
Рівень ПД прямо пропорційний рівню ПП.
ПД починає розвиватися тільки при досягненні критичного рівня деполяризації і має постійну величину, не залежну від сили подразника. (Правило «все або нічого»)
10. Правило «все або нічого»
ПД розвивається за законом "все або нічого" - потенціал дії розвивається тільки тоді, коли почнеться лавиноподібне відкриття натрієвих каналів, тобто при досягненні порогу, і тоді вже відкриються всі можливі канали. Кількість натрієвих каналів в клітці є постійною величиною. Максимальний ступінь деполяризації на піку потенціалу дії визначається кількістю увійшов натрію, тобто числом натрієвих каналів. Тому амплітуда потенціалу дії для даної клітини - величина постійна.
Правило «Все або нічого»: ПД починає розвиватися тільки при досягненні критичного рівня деполяризації і має постійну максимальну величину, не залежну від сили подразника.
11. Внутрішньоклітинні постсинаптические потенціали і їх властивості
ПД, що приходить в пресинаптичне закінчення, викликає виділення медіатора в синаптичну щілину. Коли медіатор сягає постсинаптичного закінчення, він зв'язується з рецепторами на постсинаптичні мембрані виникає мініатюрний збудливий постсинаптичні потенціал (ВПСП) - близько 0,05 мВ. Такий місцевий потенціал недостатній для зміни стану клітини. Однак виникає відразу багато ВПСП, вони, на відміну від ПД, підсумовуються. для того щоб був досягнуть критичної рівень деполяризації. Коли досягнуто КУД, починається генерація ПД. ВПСП можуть підсумовуватися тільки в тому випадку, якщо вони виникають одночасно, синхронно (в цьому випадку не встигає відновитися ПП і деполяризація мембрани наростає).
Іноді відбуваються спонтанні викиди медіатора з пресинаптичного закінчення внаслідок випадкових зіткнень везикул і мембрани. Однак ПД в цьому випадку не виникає через невелику величини ВПСП.
Крім процесів збудження на мембрані можуть відбуватися і зворотні процеси гальмування. Гальмування в НС - це не пасивний процес відсутності діяльності, а активна блокує діяльність. У разі гальмування на мембрані виникають не ВПСП, а гальмівні постсинаптичні потенціали, ТПСП. При виникненні ТПСП відбувається гиперполяризация мембрани. ТПСП викликає не зниження, а збільшення різниці потенціалів на мембрані, що перешкоджає формуванню ПД. На мембрані утворюються сходяться струми, тобто, гиперполяризация «стікається» до аксону з усіх місць, де відбулося гальмівне вплив. ТПСП виникають при надходженні в клітку аніонів, які легко проходять через канали. Найчастіше це Cl-.
Раніше вважалося. що за виникнення ВПСП і ТПСП відповідають різні медіатори. До основних гальмівним медіаторів відносять ГАМК (в коркових і підкіркових відділах) і гліцин (на периферії і СМ). Однак зараз вважається, що за генерацію ВПСП або ТПСП відповідає не власне медіатор (ГАМК може викликати і активуючий вплив). Медіатор, потрапляючи на постсинаптическую мембрану, зв'язується з рецептором, який, в свою чергу, впливає на особливий G-білок, який активує білки іонного каналу. G-білок зв'язується з посередником-месенджером, який впливає на роботу іонного каналу. Залежно від діяльності цього G-білка відбувається відкриття або аніонних, або катіонних каналів, і, відповідно, генерується або ВПСП, або ТПСП.Властивості ПСП:
Виникають тільки конкретно в тому місці, де відбувся вплив медіатора. Зазвичай, це дендрит або сома.
Величина = 0,05 мВ
На відміну від ПД, підсумовуються.
12. Рефрактерність, слідові процеси потенціалу дії.
Незбуджені (покояться) ділянки мембрани волокна негативні всередині. Між збудженим і збудженому ділянками мембрани виникає різниця потенціалів і починає протікати струм. Вихід ток деполяризує сусідній збудженому ділянку волокна. Порушення рухається по волокну тільки в одному напрямку і не може піти в іншу сторону. так як після порушення ділянки волокна в ньому настає рефрактерность - зона невозбудимости. У період рефрактерності відбувається активна робота натрієвого-калієвого насоса, який відновлює різниця концентрацій іонів K + і Na + зовні і всередині клітини, характерну для спочиває клітини, тобто ПП. Таким чином. деякий час посол генерації кліткою ПД, що б не відбувалося з кліткою, вона не зможе згенерувати ПД - це абсолютний рефрактерний період. Він приблизно дорівнює тривалості ПД (1-2 мс). Через деякий час, коли різниця концентрацій відновилася частково, може виникнути змінений ПД - це період відносної рефрактерності. Тільки після повного відновлення ПП клітина може згенерувати нормальний ПД.
"Слідові" процеси: період відносної рефрактерності і період абсолютної рефрактерності.
Період абсолютної рефрактерності-період, в якому клітина ні на що не реагує, не відповідає.
Період абсолютної рефрактерності-період, в якому клітина або відповідає більшій, або меншому ПД.
13. Що відображає критичний рівень деполяризації мембрани і його цифрове значення.
Критичний рівень деполяризації (КУД) зазвичай дорівнює близько -50 мВ, що становить 10-15% від величини ПП, тобто ПП знижується на 10-20 мВ.
При досягненні критичного рівня деполяризації різко зростає проникність мембрани для іонів Na + (відкриваються потенціалзалежні натрієві іонні канали). Починається інтенсивне надходження іонів Na + в клітину за рахунок лавиноподібного відкриття іонних каналів (чим більше деполяризация, тим більше відкривається іонних каналів), процес деполяризації відбувається дуже швидко. КУД відображає початок стрімкого зростання величини ПД, фактично початок його генерації.
14. Іонний насос і потенціал мембрани
У мембрані існують енерговитратні потенціалнезавісімие канали. які працюють постійно.
Іонний насос - це транспортна система, що забезпечує перенесення іона з безпосередньою витратою енергії воспрекі концентраційного і електричному градиентам. Іонна помпа - це активний механізм підтримки градієнтів концентрації різних іонів всередині і поза клітиною.
Натрієво-калієвий насос відкачує з нейрона іони натрію і накачують в цитоплазму іони калію. Для їх роботи потрібна додаткова енергія, яка виходить з розщеплення 3-фосфату (АТФ) до 2-фосфату (АДФ). Ця система повертає клітку до вихідного рівня поляризації мембрани. Завдяки роботі цих каналів (їх називають ще насосними каналами або іонним насосом), постійно споживають енергію, в клітці створюється різниця концентрацій іонів: всередині клітини концентрація іонів калію приблизно в 30 разів перевищує їх концентрацію поза клітиною, тоді як концентрація іонів натрію в клітині дуже невелика -приблизно в 50 разів менше, ніж зовні клітини. Властивість мембрани постійно підтримувати різницю іонних концентрацій між цитоплазмою і навколишнім середовищем характерно не тільки для нервової, але і для будь-якої клітини організму. В результаті між цитоплазмою і зовнішнім середовищем на мембрані клітини виникає потенціал: цитоплазма клітини заряджається негативно на величину близько 70мВ щодо зовнішнього середовища клітини. У створенні цього потенціалу беруть участь тільки іони калію, в зв'язку, з чим цей потенціал отримав назву «калієвий потенціал спокою», або просто «потенціал спокою». ПП
Натрієво-калієвий насос грає ключову роль у відновленні рівня концентрації іонів K + і Na + в період рефрактерності відразу після генерації ПД.