Классификация ионных каналов на мембране возбудимых систем, их функциональное значение.

Физиологиявозбудимыхсистем.

1. Возбудимые ткани: особенности строения мембраны, механизмы транспорта веществ через мембрану (активный и пассивный транспорт).

Возбудимость-это свойство возбудимых тканей приходить в возбуждение при изменениях факторов внешней или внутренней среды организма.

По характеру ответа на действие раздражителей все ткани делятся на специфические и неспецифические. Специфические ткани на действие раздражителя реагируют процессом возбуждения.

Процесс возбуждения — это быстрое изменение заряда мембраны клетки в ответ на действие раздражителя. К возбудимым тканям относятся нервная, мышечная, железистая.

Раздражители бывают:

-физические (свет, звук, температура)

-химические (органические и неорганические вещ-ва)

-физико-химические (осмотическое давление, pH)

-биологические (потенциал действия)

А также: адекватные, неадекватные(в естественных условиях не вызывают возбуждение тканей)

+подпороговые, пороговые, надпороговые

Реактивность - Способность клеток или тканей отвечать на действие раздражителей.

Клеточная мембрана (плазмолемма) представлена двойным слоем фосфолипидов(фосфатидилсерин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол), в котором расположены молекулы белков. Фосфолипиды и белки могут быть связаны с углеводами, образуя гликопротеины и гликолипиды. Белки мембраны выполняют функцию каналов, переносчиков, ферментов, регуляторов, рецепторов; углеводы — рецепторов.

Белки мембран бывают:

-интегральные (молекулы белков прочно связаны с мембранными фосфолипидами и не могут отделиться от структуры мембраны без разрушения липидного бислоя; могут совершать латеральные движения относительно поверхности бислоя. Если в комплексе белков-неподвижны; Большинство-трансмембранные могут образовывать каналы, передают химические сигналы через мембрану, фиксаторы и ферменты)

-периферические (расположены с внутренней стороны мембраны, где они связаны с полярными областями интегральных белков, большинство связано с элементами цитоскелета, выполняют регуляторную, рецепторную функцию, формируют гликокаликс (функция распознавания клетки и взаимодействие ее с другими клетками)

Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирорастворимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью белков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным.

1. Пассивный транспорт - это движение молекул или ионов по концентрационному либо электрохимическому градиенту. Это может быть простая диффузия, как в случае проникновения через плазматическую мембрану газов (например О2 и СО2) или простых молекул (этанола).

2. Облегченная диффузия - это быстрое движение молекул через мембрану с помощью специфических мембранных белков, называемых пермеазами. Этот процесс специфичен, он протекает быстрее простой диффузии, но имеет ограничение скорости транспорта. Облегченная диффузия обычно характерна для водорастворимых веществ. Диффузия осуществляется первым законом Фика: движение молекул через мембрану клеток осуществляется по концентрационному градиенту вещества.

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

· 1) Унипорт — транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

· 2) Симпорт — транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

· 3) Антипорт — перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

3. Активный транспорт - это движение ионов или молекул через мембрану против градиента концентрации за счет энергии гидролиза АТФ. Имеются три основных типа активного транспорта ионов: натрий-калиевый насос - Na+ /K+-аденозинтрифосфатаза (АТФаза), переносящая Na+ наружу, а K+ внутрь; кальциевый (Са2+) насос - Са2+-АТФаза, которая транспортирует Са2+ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум; протонный насос — Н+-АТФаза, протонно-калиевая АТФ-аза.

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na (3), а внутри клетки— высокая концентрация K (2). Работа Na, K— АТФазы создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней— отрицательный.

 

Потенциал действия (ПД), его фазы. Ионные механизмы формирования ПД.

Потенциа́лде́йствия — волнавозбуждения, перемещающаяся по мембранеживой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке возбудимой клетки (нейрона или кардиомиоцита), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, в то время, как в покое она заряжена положительно.

Потенциал действия является физиологической основой нервного импульса.

ПД сопровождается следовыми процессами:

-Отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация)

-Положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация)

Изменение возбудимости мембраны(фазы):

1) Фаза медленной деполяризации (засчет сопротивления на мембране)

2) Фаза быстрой деполяризации (возбуждение снижается)=абсолютный рефрактерный период) Na идет в клетку через быстрые электровозбудимые натриевые каналы, перезаряжает мембрану (внутри +, снаружи -)

3) Фаза быстрой реполяризации (возбуждение постепенно восстанавливается) К идет из клетки

4) Следовая деполяризация (возбуждение повышается) остаточный ток Na в клетку

5) Следовая гиперполяризация (возбуждение снижается) остаточный ток К в клетку, повышение активности Na/К АТФазы

6) Овершут

 

 

Физиологиявозбудимыхсистем.

1. Возбудимые ткани: особенности строения мембраны, механизмы транспорта веществ через мембрану (активный и пассивный транспорт).

Возбудимость-это свойство возбудимых тканей приходить в возбуждение при изменениях факторов внешней или внутренней среды организма.

По характеру ответа на действие раздражителей все ткани делятся на специфические и неспецифические. Специфические ткани на действие раздражителя реагируют процессом возбуждения.

Процесс возбуждения — это быстрое изменение заряда мембраны клетки в ответ на действие раздражителя. К возбудимым тканям относятся нервная, мышечная, железистая.

Раздражители бывают:

-физические (свет, звук, температура)

-химические (органические и неорганические вещ-ва)

-физико-химические (осмотическое давление, pH)

-биологические (потенциал действия)

А также: адекватные, неадекватные(в естественных условиях не вызывают возбуждение тканей)

+подпороговые, пороговые, надпороговые

Реактивность - Способность клеток или тканей отвечать на действие раздражителей.

Клеточная мембрана (плазмолемма) представлена двойным слоем фосфолипидов(фосфатидилсерин, фосфатидилхолин, фосфатидилинозитол), в котором расположены молекулы белков. Фосфолипиды и белки могут быть связаны с углеводами, образуя гликопротеины и гликолипиды. Белки мембраны выполняют функцию каналов, переносчиков, ферментов, регуляторов, рецепторов; углеводы — рецепторов.

Белки мембран бывают:

-интегральные (молекулы белков прочно связаны с мембранными фосфолипидами и не могут отделиться от структуры мембраны без разрушения липидного бислоя; могут совершать латеральные движения относительно поверхности бислоя. Если в комплексе белков-неподвижны; Большинство-трансмембранные могут образовывать каналы, передают химические сигналы через мембрану, фиксаторы и ферменты)

-периферические (расположены с внутренней стороны мембраны, где они связаны с полярными областями интегральных белков, большинство связано с элементами цитоскелета, выполняют регуляторную, рецепторную функцию, формируют гликокаликс (функция распознавания клетки и взаимодействие ее с другими клетками)

Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирорастворимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью белков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным.

1. Пассивный транспорт - это движение молекул или ионов по концентрационному либо электрохимическому градиенту. Это может быть простая диффузия, как в случае проникновения через плазматическую мембрану газов (например О2 и СО2) или простых молекул (этанола).

2. Облегченная диффузия - это быстрое движение молекул через мембрану с помощью специфических мембранных белков, называемых пермеазами. Этот процесс специфичен, он протекает быстрее простой диффузии, но имеет ограничение скорости транспорта. Облегченная диффузия обычно характерна для водорастворимых веществ. Диффузия осуществляется первым законом Фика: движение молекул через мембрану клеток осуществляется по концентрационному градиенту вещества.

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

· 1) Унипорт — транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

· 2) Симпорт — транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

· 3) Антипорт — перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

3. Активный транспорт - это движение ионов или молекул через мембрану против градиента концентрации за счет энергии гидролиза АТФ. Имеются три основных типа активного транспорта ионов: натрий-калиевый насос - Na+ /K+-аденозинтрифосфатаза (АТФаза), переносящая Na+ наружу, а K+ внутрь; кальциевый (Са2+) насос - Са2+-АТФаза, которая транспортирует Са2+ из клетки или цитозоля в саркоплазматический ретикулум; протонный насос — Н+-АТФаза, протонно-калиевая АТФ-аза.

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na (3), а внутри клетки— высокая концентрация K (2). Работа Na, K— АТФазы создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней— отрицательный.

 

Классификация ионных каналов на мембране возбудимых систем, их функциональное значение.

Каналы мембраны обладают способностью пропускать исключительно ионы и (или) воду. Ионные каналы представлены интегральными белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой мембраны.

Свойства каналов: селективность, способ открытия, скорость активации и инактивации, наличие и расположение рецепторов и регуляторных участков, чувствительность к химическим веществам (блокаторам, т. е. антагонистам, и активаторам, т. е. агонистам). Условно каналы делят на неспецифические (неселективные) и специфические (селективные). Существуют неспецифические каналы для ионов калия, натрия и кальция. Специфические каналы пропускают один вид ионов.

Функционально целесообразной является классификация каналов на неуправляемые (нерегулируемые) и управляемые (регулируемые):

-Управляемые: калиевые каналы утечки (есть ворота, есть рецепторы, способны находиться в открытом или закрытом состоянии)

-Неуправляемые: пора, нет ворот, нет рецепторов, заполнены водой, всегда открыты.

Выделяют два вида каналов в зависимости от природы управляющего фактора:

1. К первому виду относятся каналы, имеющие собственный сенсор внешнего сигнала. Он входит в состав макромолекулы канала. В зависимости от способа управления эти каналы делятся на:

а) потенциал-управляемые (электровозбудимые, потенциалочувствительные) — их проводимость зависит от электрического заряда на мембране (Nа-, К-, Са-Сl-ные). Для открытия этих каналов необходимы значительные сдвиги потенциала мембраны (быстрые электровозбудимыеNа- и К-каналы, медленные электровозбудимыеСа-Nа-каналы). Данный вид каналов участвует в формировании потенциала действия;

б) лиганд-управляемые (хемовозбудимые) — открываются и закрываются при воздействии специфических химических веществ (медиаторов). Обеспечивают быструю передачу сигналов в химических синапсах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором специфических агонистов — ацетилхолина, глутамата, глицина, гамма-аминомасляной кислоты и называются ионотропными. Примером являются каналы постсинаптической мембраны мионеврального синапса, вегетативных ганглиев;

в) механосенситивные или стреч-каналы(механовозбудимые) — чувствительны к растяжению мембраны. Эти каналы обнаружены как в возбудимых клетках (слуховых клетках, механорецепторах, нейросекреторных клетках, гладкомышечных, кардиомиоцитах), так и невозбудимых (глиальных, сосудистом эндотелии, эритроцитах). Во многих клетках были обнаружены как неселективные, так и селективные (для ионов К и Сl) стреч-каналы.

2. В каналах второго вида рецептор внешнего сигнала пространственно разобщен с каналом. Взаимодействие рецептора и канала осуществляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных посредников. Эти каналы называются метаботропные. При взаимодействии медиатора с рецептором на мембране активируется G-белок, который, в свою очередь, активирует фермент (аденилатциклазу, фосфолипазу). В результате в цитоплазме образуются сигнальные молекулы вторичных посредников, которые влияют на проводимость канала.

3. Быстрые и медленные каналы

4. Na, K, Cl. Na/K, Na/Ca каналы

3. Мембранный потенциал покоя (МПП), механизм его формирования. Ионные градиенты на мембране. Роль Na+/K+ - насоса в поддержании МПП.

Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны.

Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от –50 мВ до –90 мВ. Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная теория. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки представлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее проницаема для ионов натрия и практически непроницаема для анионов органических кислот(для них нет каналов). Ионы калия по градиенту концентрации путем простой диффузии диффундируют из клетки через калиевые каналы утечки, заряжая наружную поверхность мембраны электроположительно. Анионы органических кислот остаются в клетке, тем самым обеспечивая появление разности потенциалов. Таким образом, внутренняя поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к наружной ее поверхности. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя. Возникшая разность потенциалов препятствует дальнейшему выходу ионов калия из клетки, наступает равновесие между диффузией калия из клетки по концентрационному градиенту и входом этих катионов по электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным калиевым потенциалом. При изменении градиента ионов калия на мембране происходит изменение МПП. Функциональное значение МПП заключается в готовности клетки принимать информацию, т. е. реагировать на воздействия.

В состоянии покоя мембрана нервных клеток незначительно проницаема для ионов натрия и хлора, и вклад этих ионов в формирование МПП в нейронах невелик. Величина МПП нейронов в среднем составляет –70 мВ. Мембрана скелетных мышечных волокон в состоянии покоя относительно хорошо проницаема для ионов хлора, что приводит к увеличению трансмембранной разности потенциалов до –90 мВ. Снижение МПП носит название деполяризация, а его увеличение — гиперполяризация.

Постоянство концентрации ионов калия и натрия на мембране обеспечивается работой натрий-калиевого насоса (натрий-калиевой АТФазы). Это интегральный белок, выполняющий функцию транспорта ионов калия в клетку и натрия из клетки. Используя одну молекулу АТФ насос выносит из клетки 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Таким образом, при работе насоса формируется дополнительный заряд мембраны — насосный потенциал. Следовательно, МПП нейрона имеет две составляющих: концентрационный потенциал и насосный потенциал, а натрий-калиевый насос обладает электрогенными свойствами, т. е. при работе формирует дополнительный заряд на мембране. Работа насоса блокируется сердечным гликозидом уабаином. При блокаде насоса со временем происходит выравнивание концентраций натрия и калия на мембране и, как следствие, снижение МПП. Активация работы насоса происходит при увеличении концентрации натрия внутри клетки и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.