Your AI powered learning assistant

Физиология. Глава 1. Клетка. Урок 3. Механизм возбуждения клетки. Потенциал Нэрнста.

Ионные каналы Управляют Возбудимостью

Ионные каналы Управляют Возбудимостью Возбуждение клеток полностью зависит от ионных каналов, в основном от натриевых и калиевых каналов. Существуют три схемы управления: каналы, управляемые лигандом, открываются для определенных молекул, каналы, управляемые напряжением, открываются для заданного заряда мембраны, и механочувствительные каналы открываются для растяжения мембраны. Большинство феноменов и многие лекарственные препараты связаны с лиганд‑ и потенциалзависимыми каналами, однако знание всех трех из них очень важно.

Нервно‑мышечное соединение: Схема, управляемая лигандами В двигательном синапсе пузырьки в нервных окончаниях высвобождают ацетилхолин в щель, обращенную к концевой пластинке мышцы. Ацетилхолин связывает постсинаптические рецепторы и открывает их каналы. Натрий поступает в мышечное волокно, вызывая электрические изменения, которые инициируют передачу сигналов о сокращении.

Порог разблокирует управляемый напряжением натриевый После выхода из состояния покоя деполяризация должна достичь порогового значения (примерно от -55 до -60 мВ), чтобы открылись быстрые Na+‑каналы, управляемые напряжением. Деполяризация, управляемая лигандом, часто обеспечивает начальный толчок. После открытия многие быстрые Na+-каналы пропускают большой приток Na+, что приводит к увеличению потенциала действия.

Калий стимулирует реполяризацию и последующую гиперполяризацию Когда всплеск достигает максимума, Na+‑каналы, управляемые напряжением, инактивируются, в то время как K+‑каналы, управляемые напряжением, открываются. Калий выходит из клетки, снижая мембранный потенциал — реполяризация. Если K+ каналы остаются открытыми после окончания периода покоя, потенциал переходит в гиперполяризацию, прежде чем восстановиться.

Механочувствительные Каналы Превращают Прикосновение в Электричество Растяжение или деформация рецепторной мембраны открывает механочувствительные Na+-каналы. Поступление натрия деполяризует мембрану до порогового значения. Затем Na+‑каналы, управляемые быстрым напряжением, запускают потенциал действия, преобразуя сжатие или растяжение в нервный сигнал.

Потенциал покоя и триггеры, запускающие возбуждение Обычный нейрон находится в состоянии, близком к -70 мВ, что является стабильным состоянием, когда он не активен. Любой подходящий триггер — деполяризация светом или нейромедиатор — может повысить потенциал до порогового значения и инициировать потенциал действия. Значения в состоянии покоя и пороговые значения варьируются в зависимости от типа клеток, включая нейроны, кардиомиоциты и гладкую мускулатуру.

Деполяризация, локальные потенциалы и полные всплески В состоянии покоя внутренняя часть клетки отрицательна, а внешняя - положительна. Деполяризация - это приток положительного заряда, который превращает внутреннюю часть клетки из отрицательной в положительную, а внешнюю - в обратную. Локальные (не распространяющиеся) потенциалы изменяют заряд только в ограниченной области; полный потенциал действия требует порогового значения, а затем распространяется.

Все или Ничего: Действие Возможно Только При Достижении Порогового Значения Пики происходят по принципу "все или ничего": без достижения порогового значения быстрые Na+‑каналы не открываются и потенциал действия отсутствует. При превышении порогового значения открывается множество быстрых Na+-каналов и обеспечивается пик. После этого Na+-каналы закрываются, K+-каналы открываются, и мембрана переполяризуется в состоянии покоя и может временно гиперполяризоваться.

Равновесный (Нернстовский) потенциал Объясняет направление ионов Каждый ион обладает равновесным потенциалом — мембранным напряжением, при котором его суммарный поток равен нулю. Это значение отражает электродвижущую силу, управляющую ионом, и зависит от внутри‑ и внеклеточной концентрации. Это объясняет, почему Na+ стремится к более положительным напряжениям, а K+ - к более отрицательным.

Электрохимический градиент: Химия плюс Электричество Движение ионов зависит как от градиента концентрации, так и от электрической мишени. Для Na+ высокие внеклеточные и низкие внутриклеточные уровни создают химический толчок внутрь, в то время как равновесный потенциал обеспечивает электрическое притяжение. При K+ (около 150 внутри и ~4 снаружи) химический импульс направлен наружу, а электрическая мишень находится вблизи -85 мВ.

Что подразумевают типичные равновесные потенциалы При обычных концентрациях ENa составляет примерно +65 мВ, однако превышение потенциала действия обычно достигает максимума в диапазоне от +20 до +30 мВ — таким образом, ENa в большей степени указывает направление, чем фактическую высоту всплеска. EK составляет около -85 мВ, что приводит к тому, что мембрана опускается ниже уровня покоя во время постгиперполяризации. Открытие Cl−каналов позволяет отрицательно заряженному хлориду проникать из его более высокого внеклеточного запаса, гиперполяризуя клетку до ее собственного равновесного предела — принципы, лежащие в основе действия бензодиазепинов и барбитуратов.

Изменение проводимости и периодов огнеупорности При достижении порогового значения проводимость Na+ резко возрастает, вызывая всплеск; вскоре после этого Na+ инактивируется, а проводимость K+ повышается, вызывая реполяризацию и гиперполяризацию. Наступает период абсолютной невосприимчивости, в течение которого никакие раздражители не могут вызвать новый всплеск. В течение относительного периода невосприимчивости только необычно сильный раздражитель может достичь порогового значения, главным образом потому, что быстрые Na+-каналы нуждаются в восстановлении, а мембрана остается гиперполяризованной.

Уровень калия повышает возбудимость Поскольку K+ задает потенциал покоя, внеклеточные изменения изменяют возбудимость. Гиперкалиемия деполяризует мембрану до порогового значения или выше него, что может привести к возникновению единичного потенциала действия, а затем приводит к инактивации быстрых Na+—каналов, что приводит к невозможности дальнейшего возбуждения, что приводит к остановке сердца. Гипокалиемия делает потенциал покоя более отрицательным, поэтому для достижения порогового значения требуется более сильный стимул, а работа мышц, включая сердечную, снижается.

Кальций регулирует пороговое значение Кальций регулирует уровень порога возбуждения, хотя механизм его действия неясен. Гипокальциемия снижает порог (например, примерно до -65 мВ), делая нейроны легко возбудимыми и склонными к спазмам или припадкам. Гиперкальциемия повышает порог, подавляя нервную активность, вызывая ступор и подавленные рефлексы, а поступление кальция в сердце поддерживает фазу плато потенциала действия.