Fyziologie iontových kanálů. Iontové kanály, jejich struktura. Klasifikace iontových kanálů. sodíkové a draslíkové kanály. Ligandem řízené iontové kanály

Model excitabilní membrány podle Hodgkin-Huxleyho teorie předpokládá regulovaný transport iontů přes membránu. Přímý přechod iontu přes lipidovou dvojvrstvu je však velmi obtížný a v důsledku toho by byl také malý tok iontů.

Tato a řada dalších úvah dala důvod se domnívat, že membrána musí obsahovat nějaké speciální struktury – vodivé ionty. Takové struktury byly nalezeny a pojmenovány iontové kanály. Podobné kanály byly izolovány z různých objektů: plazmatické membrány buněk, postsynaptické membrány svalových buněk a dalších objektů. Známé jsou také iontové kanály tvořené antibiotiky.

Hlavní vlastnosti iontových kanálů:

1) selektivita;

2) nezávislost provozu jednotlivých kanálů;

3) diskrétní charakter vodivosti;

4) závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu.

Zvažme je v pořadí.

1. Selektivita je schopnost iontových kanálů selektivně přenášet ionty jakéhokoli jednoho typu.

Již při prvních experimentech na axonu olihně bylo zjištěno, že ionty Na+ a Km mají různé účinky na membránový potenciál. Ionty K+ mění klidový potenciál a ionty Na+ akční potenciál. V modelu Hodgkin-Huxley je to popsáno zavedením nezávislých draslíkových a sodných iontových kanálů. Předpokládalo se, že první propustí pouze ionty K+ a druhý pouze ionty Na+.

Měření ukázala, že iontové kanály mají absolutní selektivitu s ohledem na kationty (kanály selektivní pro kationty) nebo na anionty (kanály selektivní pro anionty). Současně jsou různé kationty různých chemických prvků schopny procházet kationtově selektivními kanály, ale vodivost membrány pro minoritní ion, a tím i proud přes ni, bude výrazně nižší, např. Na + - kanál, draslíkový proud skrz něj bude 20krát menší. Schopnost iontového kanálu propouštět různé ionty se nazývá relativní selektivita a je charakterizována řadou selektivity - poměrem vodivosti kanálu pro různé ionty odebrané při stejné koncentraci. V tomto případě se pro hlavní iont bere selektivita jako 1. Například pro kanál Na + má tato řada tvar:

Na+:K+= 1:0,05.

2. Nezávislost jednotlivých kanálů. Průchod proudu jednotlivým iontovým kanálem je nezávislý na tom, zda proud protéká jinými kanály. Například kanály K + lze zapnout nebo vypnout, ale proud přes kanály Na + se nemění. Vzájemné ovlivnění kanálů nastává nepřímo: změna permeability jakýchkoli kanálů (například sodíku) mění membránový potenciál a již ovlivňuje vodivosti jiných iontových kanálů.

3. Diskrétní povaha vedení iontových kanálů. Iontové kanály jsou podjednotkový komplex proteinů, který překlenuje membránu. V jeho středu je trubice, kterou mohou procházet ionty. Počet iontových kanálů na 1 μm 2 povrchu membrány byl stanoven pomocí radioaktivně značeného blokátoru sodíkových kanálů - tetrodotoxinu. Je známo, že jedna molekula TTX se váže pouze na jeden kanál. Pak měření radioaktivity vzorku o známé ploše umožnilo ukázat, že na 1 μm 2 axonu olihně připadá asi 500 sodíkových kanálů.

Ty transmembránové proudy, které jsou měřeny v konvenčních experimentech, například na axonu olihně dlouhém 1 cm a průměru 1 mm, to znamená s plochou 3 * 10 7 μm 2, jsou způsobeny celkovou odezvou (změna ve vodivosti) 500 3 10 7 -10 10 iontových kanálů. Taková odezva je charakterizována postupnou změnou vodivosti v průběhu času. Odezva jednoho iontového kanálu se v průběhu času mění zásadně odlišným způsobem: diskrétně pro oba Na+ kanály, K+- a Ca2+ kanály.

To bylo poprvé objeveno v roce 1962 při studiích vodivosti lipidových dvojvrstvých membrán (BLM), kdy byla do roztoku obklopujícího membránu přidána mikrokvantita nějaké látky, která vyvolala excitaci. Na BLM bylo aplikováno konstantní napětí a byl zaznamenáván proud I(t). Záznam proudu v čase měl podobu skoků mezi dvěma vodivými stavy.

Jednou z účinných metod pro experimentální studium iontových kanálů byla metoda lokální fixace membránového potenciálu ("Patch Clamp") vyvinutá v 80. letech (obr. 10).

Rýže. 10. Způsob lokální fixace membránového potenciálu. ME - mikroelektroda, IR - iontový kanál, M - buněčná membrána, SFP - potenciální svorkový obvod, I - jednokanálový proud

Podstata metody spočívá v tom, že ME mikroelektroda (obr. 10) s tenkým koncem o průměru 0,5–1 μm je nasávána k membráně tak, že do jejího vnitřního průměru vstupuje iontový kanál. Potom je možné pomocí potenciálově upínacího obvodu měřit proudy, které procházejí pouze jedním kanálem membrány a ne všemi kanály současně, jak se to děje při použití standardní metody uchycení potenciálu.

Výsledky experimentů provedených na různých iontových kanálech ukázaly, že vodivost iontového kanálu je diskrétní a může být ve dvou stavech: otevřený nebo uzavřený. K přechodům mezi stavy dochází v náhodných časech a řídí se statistickými vzory. Nelze říci, že se tento iontový kanál otevře přesně v tomto okamžiku. Dá se říci pouze o pravděpodobnosti otevření kanálu v určitém časovém intervalu.

4. Závislost parametrů kanálu na membránovém potenciálu. Iontové kanály nervových vláken jsou citlivé na membránový potenciál, například sodíkové a draslíkové kanály axonu olihně. To se projevuje tím, že po začátku depolarizace membrány se odpovídající proudy začnou měnit s tou či onou kinetikou. Tento proces probíhá následovně: Iontově selektivní kanál má senzor - nějaký prvek jeho konstrukce, citlivý na působení elektrického pole (obr. 11). Při změně membránového potenciálu se mění velikost síly, která na ni působí, v důsledku toho se tato část iontového kanálu pohybuje a mění pravděpodobnost otevření nebo zavření brány - jakýsi tlumič působící podle vše-nebo- nic zákon. Experimentálně bylo prokázáno, že působením depolarizace membrány se zvyšuje pravděpodobnost přechodu sodíkového kanálu do vodivého stavu. Napěťový skok na membráně, vzniklý při měření metodou upnutí potenciálu, vede k tomu, že se otevře velké množství kanálů. Projde jimi více nábojů, což znamená v průměru více proudu. Podstatné je, že proces růstu vodivosti kanálu je určen zvýšením pravděpodobnosti přechodu kanálu do otevřeného stavu, a nikoli zvětšením průměru otevřeného kanálu. Toto je moderní myšlenka mechanismu průchodu proudu jediným kanálem.

Hladké kinetické křivky proudů zaznamenané při elektrických měřeních na velkých membránách jsou získány díky součtu mnoha skokových proudů protékajících jednotlivými kanály. Jejich sčítání, jak je uvedeno výše, prudce snižuje kolísání a dává poměrně hladké časové závislosti transmembránového proudu.

Iontové kanály mohou být citlivé i na další fyzikální vlivy: mechanické deformace, chemické vazby atd. V tomto případě jsou strukturálním základem mechanoreceptorů, chemoreceptorů atd.

Studium iontových kanálů v membránách je jedním z důležitých úkolů moderní biofyziky.

Struktura iontového kanálu.

Iontově selektivní kanál se skládá z následujících částí (obr. 11): proteinová část ponořená do dvojvrstvy, která má podjednotkovou strukturu; selektivní filtr tvořený záporně nabitými atomy kyslíku, které jsou pevně umístěny v určité vzdálenosti od sebe a propouštějí ionty pouze určitého průměru; část brány.

Brány iontového kanálu jsou řízeny membránovým potenciálem a mohou být buď v uzavřeném stavu (přerušovaná čára) nebo v otevřeném stavu (plná čára). Normální poloha brány sodíkového kanálu je uzavřena. Působením elektrického pole se zvyšuje pravděpodobnost otevřeného stavu, brána se otevře a tok hydratovaných iontů dostane příležitost projít selektivním filtrem.

Pokud se iont vejde do průměru, odhodí hydratační obal a přeskočí na druhou stranu iontového kanálu. Pokud má iont příliš velký průměr, jako je tetraethylamonium, není schopen projít filtrem a nemůže projít membránou. Pokud je naopak iont příliš malý, pak má potíže v selektivním filtru, tentokrát spojené s obtížností odhození hydratačního obalu iontu.

Blokátory iontových kanálů jím buď nemohou projít a uvíznou ve filtru, nebo, pokud se jedná o velké molekuly, jako je TTX, stericky odpovídají jakémukoli vstupu do kanálu. Protože blokátory nesou kladný náboj, jejich nabitá část je vtažena do kanálu k selektivnímu filtru jako běžný kationt a makromolekula jej ucpe.

Změny elektrických vlastností excitabilních biomembrán se tedy provádějí pomocí iontových kanálů. Jedná se o proteinové makromolekuly pronikající lipidovou dvojvrstvou, které mohou být v několika diskrétních stavech. Vlastnosti kanálů selektivních pro ionty K +, Na + a Ca 2+ mohou různě záviset na membránovém potenciálu, který určuje dynamiku akčního potenciálu v membráně, stejně jako na rozdílech v těchto potenciálech v membránách různých buněk.

Rýže. 11. Schéma struktury sodíkového iontového kanálu membrány v kontextu

Zpětná vazba.

Iontové kanály (IC) jsou membránové molekulární struktury tvořené integrálními (transmembránovými) proteiny, které pronikají buněčnou membránou napříč ve formě několika smyček a tvoří průchozí kanál (pór) v membráně. Kanálové proteiny se skládají z podjednotek, které tvoří strukturu se složitou prostorovou konfigurací, ve které jsou kromě póru obvykle další molekulární systémy: otevírání, uzavírání, selektivita, inaktivace, příjem a regulace. IC nemusí mít jedno, ale několik míst (míst) pro vazbu na kontrolní látky (ligandy).

IC se skládají z proteinů komplexní struktury (kanál tvořící proteiny).

IC proteiny mají určitou konformaci, tvoří transmembránový pór a jsou „všity“ do lipidové vrstvy membrány. Kanálový proteinový komplex může sestávat buď z jedné proteinové molekuly nebo z několika proteinových podjednotek, identických nebo odlišných ve struktuře. Tyto podjednotky mohou být kódovány různými geny, syntetizovány odděleně na ribozomech a poté sestaveny jako integrální kanál. V jiném případě může být kanálem jeden polypeptid, který několikrát prochází membránou ve formě smyček. Na počátku 21. století je známo více než 400 kanálotvorných proteinů, k jejichž biosyntéze se využívá 1–2 % lidského genomu.

Domény jsou jednotlivé kompaktně tvarované části kanálového proteinu nebo podjednotek. Segmenty jsou části protein-channeloformer, které jsou spirálovitě složené a propíchnou membránu. Terminální domény kanáloformerového proteinu (N- a C-terminální domény) mohou vyčnívat z membrány jak vně, tak uvnitř buňky.

Téměř všechny integrované obvody mají ve svých podjednotkách regulační domény které se mohou vázat na různé kontrolní látky (regulační molekuly) a tím měnit stav nebo vlastnosti kanálu. V napěťově aktivovaných integrovaných obvodech obsahuje jeden z transmembránových segmentů speciální sadu kladně nabitých aminokyselin a funguje jako senzor elektrického potenciálu membrány. Při změně potenciálu takový senzor změní stav kanálu z otevřeného na uzavřený nebo naopak. IO tedy mohou být řízeny určitými vnějšími vlivy, to je jejich důležitá vlastnost.

IR ve svém složení mohou mít také doplňkové podjednotky, vykonávající modulační, strukturální nebo stabilizační funkce. Jedna třída takových podjednotek je intracelulární, nachází se zcela v cytoplazmě, a druhá je membránová, protože. mají transmembránové domény, které propíchnou membránu.

Klasifikace iontových kanálů:

Podle typu aktivace
- Potenciál závislý
-Závislý na ligandu

Mechanicky aktivovaný

Podle selektivity
- Selektivní (Na, K, Ca, Cl)
- Neselektivní

Podle kinetiky
-Rychlý
-Pomalý

smíšený

sodíkový kanál

Jedná se o napěťově řízený iontový kanál, který zajišťuje rychlé zvýšení sodíkové vodivosti, která je zodpovědná za depolarizační fázi během rozvoje akčního potenciálu v nervových a svalových buňkách. Kanály izolované ze savčích tkání mají molekulovou hmotnost ~335 000. Na+ kanály interagují s různými toxiny, zejména tetrodotoxinem, saxitoxinem a scorpion α-toxinem, které se velmi silně vážou na kanálové proteiny a mohou být použity v kvantitativních biochemických měřeních.

draslíkový kanál

Napěťově řízené K-kanály se nacházejí jak v plazmatické membráně, tak v sarkoplazmatickém retikulu. Společnou vlastností těchto kanálů je citlivost na inhibiční působení tetraethylamonia, 4-aminopyridinu a Cs, ačkoli účinnost těchto inhibitorů na různé podtypy kanálů se významně liší. Tyto kanály jsou aktivovány během depolarizace a repolarizují membránu během akčního potenciálu. Rychlost jejich inaktivace je nízká - od 100 ms do několika sekund.

5. Pojem vzrušivosti. Parametry dráždivosti nervosvalového systému: práh podráždění (reobáze), užitečná doba (chronaxie). Závislost síly stimulace na době jejího působení (Goorweg-Weissova křivka). Žáruvzdorné.

Vzrušivost- jde o schopnost (vlastnost) některých fyziologických systémů reagovat na vnější nebo vnitřní vlivy specializovanou reakcí - generováním akčního potenciálu.

Buňky schopné excitace (v lidském těle) – svalové, nervové, sekreční – jsou tzv vzrušivý. Všechny ostatní buňky jsou dráždivé. Z toho vyplývá, že dráždivost je obecnější vlastností živých systémů, zatímco dráždivost je zvláštním a specializovaným projevem dráždivosti.

Pro jakýkoli excitovatelný systém existuje minimální síla stimulu, která způsobuje excitaci. Dostala jméno práh nebo reobáze.

Jakýkoli podnět musí působit alespoň určitou dobu, aby vyvolal excitační reakci, této době se říká latentní nebo užitečnýčas.

Chronaxia - jedná se o speciální případ užitečné doby působení stimulu s hodnotou 2 prahů (2 reobáze).

Labilita- míra vzrušivosti nebo maximální rytmus impulsů, který je vzrušivý systém schopen reprodukovat za jednotku času. Hodnota lability je nepřímo úměrná délce trvání fáze absolutní refrakternosti, tzn. 1/ARF (s).

Zákon trvání podráždění. Odezva tkáně závisí na době trvání stimulace, ale probíhá v určitých mezích a je přímo úměrná. Existuje vztah mezi silou stimulace a dobou jejího působení. Tato závislost je vyjádřena jako křivka síly a času. Tato křivka se nazývá Goorweg-Weiss-Lapicova křivka. Křivka ukazuje, že bez ohledu na to, jak silný je podnět, musí působit po určitou dobu. Pokud je časový interval malý, pak se odezva nedostaví. Pokud je podnět slabý, pak bez ohledu na to, jak dlouho působí, nedochází k žádné reakci. Síla podnětu se postupně zvyšuje a v určitém okamžiku nastává tkáňová odpověď. Tato síla dosáhne prahové hodnoty a nazývá se reobáze (minimální síla podráždění, která způsobuje primární odpověď). Doba, po kterou působí proud rovný reobáze, se nazývá užitečná doba.

Graf závislosti "síla-čas / trvání" (Goorweg-Weiss-Lapik křivka)

žáruvzdornost- (fyziologická vlastnost excitabilních tkání) dočasné snížení excitability současně s excitací, která ve tkáni vznikla. Refraktérnost je absolutní (žádná reakce na žádný podnět) a relativní (vzrušivost je obnovena a tkáň reaguje na podprahový nebo nadprahový podnět);

6. Iontové pumpy (ATPázy): K + -Na + -eva, Ca2 + -eva (plazmolema a sarkoplazmatické retikulum). H+-K+-lbmennik.

12. Iontové kanály…

Iontový kanál se skládá z několika podjednotek, jejich počet v jednom iontovém kanálu se pohybuje od 3 do 12 podjednotek. Svou organizací mohou být podjednotky obsažené v kanálu homologní (stejného typu), řada kanálů je tvořena podjednotkami různých typů.

Každá z podjednotek se skládá z několika (tří nebo více) transmembránových segmentů (nepolární části stočené do α-helixů), extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén (reprezentovaných polárními oblastmi molekul, které tvoří doménu a vyčnívají za bilipidovou vrstvou membrány).

Každý z transmembránových segmentů, extra- a intracelulárních smyček a koncových úseků domén plní svou vlastní funkci.

Transmembránový segment 2, organizovaný ve formě a-šroubovice, tedy určuje selektivitu kanálu.

Koncové oblasti domény fungují jako senzory pro extra- a intracelulární ligandy a jeden z transmembránových segmentů hraje roli senzoru závislého na napětí.

Třetí transmembránové segmenty v podjednotce jsou zodpovědné za provoz systému portálových kanálů atd.

Iontové kanály fungují mechanismem usnadněné difúze. Když jsou kanály aktivovány, pohyb iontů podél nich sleduje koncentrační gradient. Rychlost pohybu membránou je 10 iontů za sekundu.

Specifičnost iontových kanálů.

Většina z nich je selektivní, tzn. kanály, které umožňují průchod pouze jednomu typu iontů (sodíkové kanály, draslíkové kanály, vápníkové kanály, aniontové kanály).

kanálová selektivita.

Selektivita kanálu je určena přítomností selektivního filtru.

Jeho roli hraje počáteční úsek kanálu, který má určitý náboj, konfiguraci a velikost (průměr), což umožňuje průchod pouze určitého typu iontů do kanálu.

Některé z iontových kanálů jsou neselektivní, jako jsou „únikové“ kanály. Jedná se o membránové kanály, kterými v klidu, podél koncentračního gradientu, ionty K + opouštějí buňku, těmito kanály se však do buňky v klidu podél koncentračního gradientu dostává také malé množství iontů Na +.

Snímač iontového kanálu.

Snímač iontového kanálu je citlivá část kanálu, která vnímá signály, jejichž povaha může být různá.

Na tomto základě existují:

napěťově řízené iontové kanály;

receptorem řízené iontové kanály;

ligandem řízené (ligand-dependentní);

mechanicky ovládané (mechanicky závislé).

Kanály, které mají senzor, se nazývají řízené. Některé kanály nemají senzor. Takové kanály se nazývají nespravované.

Systém brány iontového kanálu.

Kanál má bránu, která je v klidu uzavřena a otevře se, když je přiveden signál. V některých kanálech se rozlišují dva typy hradel: aktivace (m-gates) a inaktivace (h-gates).

Existují tři stavy iontových kanálů:

klidový stav, kdy je brána zavřená a kanál je pro ionty nepřístupný;

stav aktivace, kdy je systém brány otevřený a ionty se pohybují membránou podél kanálu;

stav inaktivace, kdy je kanál uzavřen a nereaguje na podněty.

Rychlost vedení (vodivost).

Existují rychlé a pomalé kanály. Únikové kanály jsou pomalé, sodíkové kanály v neuronech rychlé.

V membráně každé buňky je velký soubor různých (z hlediska rychlosti) iontových kanálů, jejichž aktivace určuje funkční stav buněk.

napěťově řízené kanály.

Potenciálně řízený kanál se skládá z:

póry naplněné vodou;

• selektivní filtr;

  aktivační a deaktivační brány;

  senzor napětí.

Průměr kanálu je mnohem větší než průměr iontů, v zóně selektivního filtru se zužuje na atomární velikosti, což zajišťuje, že tato část kanálu plní funkci selektivního filtru.

K otevírání a zavírání hradlového mechanismu dochází, když se změní membránový potenciál a brána se otevírá při jedné hodnotě membránového potenciálu a zavírá při jiné úrovni membránového potenciálu.

Předpokládá se, že změna elektrického pole membrány je vnímána speciální částí stěny kanálu, která se nazývá snímač napětí.

Změna jeho stavu v důsledku změny úrovně membránového potenciálu způsobí konformaci proteinových molekul, které tvoří kanál, a v důsledku toho vede k otevření nebo uzavření brány iontového kanálu.

Kanály (sodík, vápník, draslík) mají čtyři homologní domény - podjednotky (I, II, III, IV). Doména (například sodíkové kanály) se skládá ze šesti transmembránových segmentů organizovaných ve formě a-helixů, z nichž každý hraje svou vlastní roli.

Transmembránový segment 5 tedy hraje roli póru, transmembránový segment 4 je senzor, který reaguje na změny membránového potenciálu, a další transmembránové segmenty jsou zodpovědné za aktivaci a inaktivaci systému portálových kanálů. Doposud nebyla studována role jednotlivých transmembránových segmentů a podjednotek.

Sodíkové kanály (vnitřní průměr 0,55 nm) jsou přítomny v buňkách excitabilních tkání. Hustota na 1 µm 2 v různých tkáních není stejná.

Takže v nemyelinizovaných nervových vláknech je to 50-200 kanálů a v myelinizovaných nervových vláknech (Ranvier intercepts) - 13 000 na 1 mikron 2 plochy membrány. V klidu jsou zavřené. Membránový potenciál je 70-80 mV.

Vystavení stimulu mění membránový potenciál a aktivuje napěťově řízený sodíkový kanál.

Je aktivován, když se membránový potenciál posune z hladiny klidového potenciálu ke kritické úrovni depolarizace.

Silný sodíkový proud zajišťuje posun membránového potenciálu na kritickou úroveň depolarizace (CDL).

Změna membránového potenciálu až -50-40 mV, tzn. na úroveň kritické úrovně depolarizace, způsobí otevření dalších napěťově závislých Na+ kanálů, kterými je veden příchozí sodíkový proud, který tvoří "vrchol" akčního potenciálu.

Sodné ionty se pohybují do buňky podél koncentračního gradientu a chemického gradientu kanálem a tvoří tzv. příchozí sodíkový proud, což vede k dalšímu rychlému rozvoji depolarizačního procesu.

Membránový potenciál mění znaménko na opačné +10-20 mV. Pozitivní membránový potenciál způsobuje uzavření sodíkových kanálů a jejich inaktivaci.

Potenciálně závislé Na+ kanály hrají vedoucí roli při tvorbě akčního potenciálu, tzn. proces excitace v buňce.

Ionty vápníku brání otevření napěťově řízených sodíkových kanálů změnou parametrů odezvy.

NA + -kanály

Draslíkové kanály (vnitřní průměr 0,30 nm) jsou přítomny v cytoplazmatických membránách, bylo nalezeno značné množství kanálků pro „únik“ draslíku z buňky.

V klidu jsou otevřené. Přes ně v klidu draslík „uniká“ z buňky podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.

Tento proces se označuje jako odcházející draslíkový proud, který vede k vytvoření klidového membránového potenciálu (-70-80 mV). Tyto draslíkové kanály lze pouze podmíněně klasifikovat jako závislé na napětí.

Když se membránový potenciál během depolarizace změní, draslíkový proud je inaktivován.

Během repolarizace se přes napěťově závislé kanály tvoří příchozí K + proud, který se nazývá K + proud zpožděného usměrnění.

Jiný typ napěťově řízených K + -kanálů. Podél nich v podprahové oblasti membránového potenciálu vzniká rychlý vnější proud draslíku (pozitivní stopový potenciál). K inaktivaci kanálu dochází v důsledku hyperpolarizace stopy.

Jiný typ napěťově řízených draslíkových kanálů se aktivuje až po předběžné hyperpolarizaci, tvoří rychlý přechodný draslíkový proud, který se rychle inaktivuje.

Ionty vápníku usnadňují otevírání napěťově řízených draslíkových kanálů změnou parametrů odezvy.

so + -kanály.

Potenciálně řízené kanály významně přispívají jak k regulaci vstupu vápníku do cytoplazmy, tak k elektrogenezi.

Proteiny, které tvoří vápníkové kanály, se skládají z pěti podjednotek (al, a2, b, g, d).

Hlavní podjednotka al tvoří samotný kanál a obsahuje vazebná místa pro různé modulátory vápníkového kanálu.

V nervových buňkách savců (označených A, B, C, D a E) bylo nalezeno několik strukturně odlišných al-podjednotek vápníkového kanálu.

Funkčně se různé typy kalciových kanálů od sebe liší aktivací, kinetikou, jednokanálovou vodivostí a farmakologií.

V buňkách bylo popsáno až šest typů napěťově řízených vápníkových kanálů (T-, L-, N-, P-, Q-, R- kanály).

Aktivita napěťově řízených kanálů plazmatické membrány je regulována různými intracelulárními druhými posly a membránově vázanými G-proteiny.

Kalciové napěťově řízené kanály se nacházejí ve velkém množství v cytoplazmatických membránách neuronů, myocytech hladkých, příčně pruhovaných a srdečních svalů a v membránách endoplazmatického retikula.

Ca2+-kanály SPR jsou oligomerní proteiny vložené do membrány SPR.

so 2+ - ovládal Sa 2+ - SPR kanály.

Tyto vápníkové kanály byly nejprve izolovány z kosterních a srdečních svalů.

Ukázalo se, že Ca 2+ -kanály SPR v těchto svalových tkáních mají molekulární rozdíly a jsou kódovány různými geny.

Ca 2+ -kanály SPR v srdečních svalech jsou přímo propojeny s vysokoprahovými Ca 2+ -kanály plazmatické membrány (L-typ) prostřednictvím proteinů vázajícího vápník a tvoří tak funkčně aktivní strukturu - "triádu".

V kosterních svalech depolarizace plazmalemy přímo aktivuje uvolňování Ca 2+ z endoplazmatického retikula v důsledku skutečnosti, že Ca 2+ kanály plazmatické membrány slouží jako napěťově citlivé přenašeče aktivačního signálu přímo do Ca 2+ kanálů SPR prostřednictvím vazebných proteinů.

Depoty Ca2+ kosterních svalů tedy mají mechanismus uvolňování Ca2+ indukovaný depolarizací (typ RyRl).

Na rozdíl od kosterních svalů nejsou endoplazmatické Ca 2+ kanály kardiomyocytů spojeny s plazmatickou membránou a stimulace uvolňování Ca 2+ z depa vyžaduje zvýšení koncentrace cytosolického vápníku (typ RyR2).

Kromě těchto dvou typů Ca 2+-aktivovaných Ca 2h kanálů byl nedávno identifikován třetí typ Ca 2+ SPR kanálů (typ RyR3), který dosud nebyl dostatečně prozkoumán.

Všechny vápníkové kanály se vyznačují pomalou aktivací a pomalou inaktivací ve srovnání se sodíkovými kanály.

Při depolarizaci svalové buňky (výběžky cytoplazmatických membrán - T-tubuly se přibližují k membránám endoplazmatického retikula) dochází k napěťově závislému otevírání vápníkových kanálků membrán sarkoplazmatického retikula.

Protože na jedné straně je koncentrace vápníku v SPR vysoká (zásobník vápníku) a koncentrace vápníku v cytoplazmě je nízká a na druhé straně plocha membrány SPR a hustota vápníku kanály v něm jsou velké, hladina vápníku v cytoplazmě se zvyšuje 100krát.

Toto zvýšení koncentrace vápníku iniciuje proces kontrakce myofibril.

Kalciové kanály v kardiomyocytech jsou umístěny v cytoplazmatické membráně a jsou to vápníkové kanály typu L.

Jsou aktivovány při membránovém potenciálu +20-40 mV, tvoří příchozí vápníkový proud. Jsou dlouhodobě v aktivovaném stavu, tvoří „plató“ akčního potenciálu kardiomyocytů.

aniontové kanály.

Největší počet kanálů pro chlór v buněčné membráně. Ve srovnání s mezibuněčným prostředím je v buňce méně chloridových iontů. Proto, když se kanály otevřou, chlor vstupuje do článku podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.

Počet kanálů pro HCO 3 není tak velký, objem transportu tohoto aniontu kanály je mnohem menší.

iontoměničů.

Membrána obsahuje iontoměniče (nosné proteiny), které provádějí usnadněnou difúzi iontů, tzn. zrychlený spojený pohyb iontů přes biomembránu podél koncentračního gradientu, takové procesy jsou nezávislé na ATP.

Nejznámější jsou výměníky Na + -H +, K + -H +, Ca 2+ -H +, dále výměníky zajišťující výměnu kationtů za aniontyNa + -HCO- 3, 2CI-Ca 2+ a výměníky, které zajišťují výměnu kationtu za kation (Na + -Ca 2+) nebo aniont za anion (Cl- HCO3).

Iontové kanály řízené receptorem.

Ligand-gated (ligand-gated) iontové kanály.

Ligandem řízené iontové kanály jsou poddruhem receptorově řízených kanálů a jsou vždy kombinovány s receptorem pro biologicky aktivní látku (BAS).

Receptory uvažovaných kanálů patří k ionotropnímu typu membránových receptorů, při interakci s biologicky aktivními látkami (ligandy) dochází k rychlým reakcím.

Iontový kanál s ligandem se skládá z:

póry naplněné vodou;

selektivní filtr;

aktivační brána;

vazebné místo pro ligand (receptor). Vysokoenergetický aktivní BAS má vysokou

afinita (afinita) k určitému typu receptoru. Když jsou aktivovány iontové kanály, určité ionty se pohybují podél koncentračního gradientu a elektrochemického gradientu.

V membránovém receptoru může být vazebné místo pro ligand přístupné pro ligand z vnějšího povrchu membrány.

V tomto případě hormony a parahormony, ionty působí jako ligand.

Takže když jsou aktivovány N-cholinergní receptory, aktivují se sodíkové kanály.

Propustnost vápníku je iniciována neuronálními acetylcholinovými, glutamátovými (NMDA a AMPA/kainattypy) receptory a purinovými receptory.

Receptory GABAA jsou spojeny s iontovými chloridovými kanály a glycinové receptory jsou také spojeny s chloridovými kanály.

V membránovém receptoru může být vazebné místo ligandu přístupné pro ligandy z vnitřního povrchu membrány.

V tomto případě proteinkinázy aktivované druhými posly nebo druhými posly samotnými působí jako ligandy.

Takže proteinkinázy A, C, G fosforylací proteinů kationtových kanálů mění svou permeabilitu.

Mechanicky ovládané iontové kanály.

Mechanicky řízené iontové kanály mění svou vodivost pro ionty buď změnou napětí bilipidové vrstvy nebo prostřednictvím buněčného cytoskeletu. Mnoho mechanicky řízených kanálů je spojeno s mechanoreceptory; existují ve sluchových buňkách, svalových vřeténech a vaskulárním endotelu.

Všechny mechanicky ovládané kanály jsou rozděleny do dvou skupin:

natažením aktivované buňky (SAC);

natažením inaktivované buňky (SIC).

Mechanicky ovládané kanály mají všechny hlavní vlastnosti kanálu:

póry naplněné vodou;

mechanismus brány;

senzor natažení.

Když je kanál aktivován, ionty se pohybují podél koncentračního gradientu podél něj.

ATPáza sodíku, draslíku.

Sodná, draselná ATPáza (sodno-draslíková pumpa, sodno-draselná pumpa).

Skládá se ze čtyř transmembránových domén: dvou α-podjednotek a dvou β-podjednotek. α-podjednotka je velká doména a β-podjednotka je malá. Během transportu iontů jsou velké podjednotky fosforylovány a ionty se jimi pohybují.

ATPáza sodíku a draslíku hraje klíčovou roli při udržování homeostázy sodíku a draslíku v intra- a extracelulárním prostředí:

udržuje vysokou hladinu K + a nízkou hladinu Na + v buňce;

podílí se na tvorbě klidového membránového potenciálu, na tvorbě akčního potenciálu;

zajišťuje Na + konjugovaný transport většiny organických látek přes membránu (sekundární aktivní transport);

významně ovlivňuje homeostázu H2O.

Sodík, draselná ATPáza, má nejdůležitější podíl na tvorbě iontové asymetrie v extra- a intracelulárních prostorech.

Fázovaná práce sodíkové a draslíkové pumpy zajišťuje neekvivalentní výměnu draslíku a sodíku přes membránu.

so + -ATPase (čerpadlo).

Existují dvě rodiny Ca 2+ pump odpovědných za eliminaci Ca 2+ iontů z cytoplazmy: Ca 2+ pumpy plazmatické membrány a Ca 2+ pumpy endoplazmatického retikula.

Přestože patří do stejné rodiny proteinů (tzv. P-třída ATPáz), tyto pumpy vykazují určité rozdíly ve struktuře, funkční aktivitě a farmakologii.

Nachází se ve velkém množství v cytoplazmatické membráně. V cytoplazmě buňky v klidu je koncentrace vápníku 10-7 mol/l a mimo buňku je to mnohem více -10-3 mol/l.

Takový významný rozdíl v koncentracích je udržován díky práci cytoplazmatické Ca++-ATPázy.

Činnost Ca 2+ -pumpy plazmalemy je přímo řízena Ca 2+ : zvýšení koncentrace volného vápníku v cytosolu aktivuje Ca 2+ -pumpu.

V klidu nedochází téměř k žádné difúzi přes vápníkové iontové kanály.

Ca-ATPáza transportuje Ca z buňky do extracelulárního prostředí proti jeho koncentračnímu gradientu. Podél gradientu vstupuje Ca + do buňky v důsledku difúze iontovými kanály.

Membrána endoplazmatického retikula obsahuje také velké množství Ca++-ATPázy.

Kalciová pumpa endoplazmatického retikula (SERCA) zajišťuje odvod vápníku z cytosolu do endoplazmatického retikula – „depot“ vápníku díky primárnímu aktivnímu transportu.

V depu se vápník váže na proteiny vázající vápník (calsekvestrin, calreticulin atd.).

Dosud byly popsány alespoň tři různé izoformy čerpadel SERCA.

Podtyp SERCA1 je výhradně koncentrován v rychlých kosterních svalech, zatímco pumpy SERCA2 jsou široce distribuovány v jiných tkáních. Význam čerpadel SERCA3 je méně jasný.

Proteiny SERCA2-nacos se dělí na dvě různé izoformy: SERCA2a, charakteristické pro kardiomyocyty a hladké svaly, a SERCA2b, charakteristické pro mozkové tkáně.

Zvýšení Ca 2+ v cytosolu aktivuje vychytávání vápenatých iontů do endoplazmatického retikula, zatímco zvýšení volného vápníku v endoplazmatickém retikulu inhibuje SERCA pumpy.

H + K + -ATPáza (pumpa).

Pomocí této pumpy (v důsledku hydrolýzy jedné molekuly ATP) jsou ve výstelkových (parietálních) buňkách žaludeční sliznice transportovány dva draselné ionty z extracelulárního prostoru do buňky a dva ionty H + z cytosolu. do extracelulárního prostoru při hydrolýze jedné molekuly. Tento mechanismus je základem tvorby kyseliny chlorovodíkové v žaludku.

Třída iontové pumpyF.

Mitochondriální ATPáza. Katalyzuje poslední krok syntézy ATP. Mitochondriální krypty obsahují ATP syntázu, která spojuje oxidaci v Krebsově cyklu a fosforylaci ADP na ATP.

Stupeň iontové pumpyPROTI.

Lysozomální H + -ATPáza (lysozomální protonové pumpy) - protonové pumpy, které zajišťují transport H + z cytosolu do řady lysozomálních organel, Golgiho aparát, sekreční váčky. V důsledku toho klesá hodnota pH např. u lysozomů na 5,0, což optimalizuje aktivitu těchto struktur.

Vlastnosti iontového transportu

1. Významná a asymetrická transmembrána! gradient pro Na+ a K+ v klidu.

Sodíku mimo buňku (145 mmol/l) je 10x více než v buňce (14 mmol/l).

V buňce je asi 30x více draslíku (140 mmol/l) než mimo buňku (4 mmol/l).

Tato vlastnost distribuce iontů sodíku a draslíku:

homeostatizováno prací Na + /K + -nacoca;

tvoří v klidu odcházející draslíkový proud (únikový kanál);

vytváří klidový potenciál;

práce jakýchkoli draslíkových kanálů (závislých na napětí, na vápníku, na ligandu) je zaměřena na tvorbu odcházejícího draslíkového proudu.

To buď vrátí stav membrány na původní úroveň (aktivace napěťově závislých kanálů ve fázi repolarizace), nebo membránu hyperpolarizuje (kanály závislé na vápníku, ligandy, včetně těch aktivovaných systémy druhých mediátorů).

Je třeba mít na paměti, že:

pohyb draslíku přes membránu se provádí pasivním transportem;

tvorba excitace (akčního potenciálu) je vždy způsobena příchozím sodíkovým proudem;

aktivace jakýchkoli sodíkových kanálů vždy způsobí vnitřní sodíkový proud;

pohyb sodíku přes membránu se téměř vždy uskutečňuje pasivním transportem;

v epiteliálních buňkách, které tvoří stěnu různých trubic a dutin v tkáních (tenké střevo, nefronové tubuly atd.), ve vnější membráně je vždy velké množství sodíkových kanálů, které při aktivaci zajišťují příchozí sodíkový proud, a ve vnější membráně bazální membrána – velké množství sodíkových, draselných pump, které odčerpávají sodík z buňky. Taková asymetrická distribuce těchto transportních systémů pro sodík zajišťuje jeho transcelulární transport, tzn. ze střevního lumen, renálních tubulů do vnitřního prostředí těla;

pasivní transport sodíku do buňky po elektrochemickém gradientu vede k akumulaci energie, která se využívá pro sekundární aktivní transport mnoha látek.

2. Nízká hladina vápníku v cytosolu buňky.

V buňce v klidu je obsah vápníku (50 nmol/l) 5000krát nižší než mimo buňku (2,5 mmol/l).

Takto nízká hladina vápníku v cytosolu není náhodná, protože vápník v koncentracích 10–100krát vyšších, než je výchozí, působí jako druhý intracelulární mediátor při realizaci signálu.

Za takových podmínek je možný rychlý nárůst vápníku v cytosolu v důsledku aktivace vápníkových kanálů (usnadněná difúze), které jsou ve velkém množství přítomny v cytoplazmatické membráně a v membráně endoplazmatického retikula (endoplazmatické retikulum – „depot vápníku v buňce).

Tvorba toků vápníku, ke kterému dochází v důsledku otevření kanálů, poskytuje fyziologicky významné zvýšení koncentrace vápníku v cytosolu.

Nízkou hladinu vápníku v cytosolu buňky udržují Ca 2+ -ATPáza, Na + /Ca 2+ -výměníky, vápník vázající proteiny cytosolu.

Kromě rychlé vazby cytosolického Ca 2+ intracelulárními proteiny vázajícími Ca 2+ mohou být ionty vápníku vstupující do cytosolu akumulovány Golgiho aparátem nebo buněčným jádrem a zachyceny mitochondriálními depoty Ca 2+.

3. Nízká hladina chlóru v článku.

V článku v klidu je obsah chloru (8 mmol/l) více než 10x nižší než mimo článek (110 mmol/l).

Tento stav je udržován provozem transportéru K + /Cl-.

Změna funkčního stavu článku je spojena (nebo způsobena) se změnou propustnosti membrány pro chlór. Po aktivaci chloridových kanálů řízených napětím a ligandem vstupuje ion do cytosolu kanálem pasivním transportem.

Vstup chloru do cytosolu je navíc tvořen kotransportérem Na+/K+/2CH a výměníkem CG-HCO3.

Vstup chlóru do článku zvyšuje polaritu membrány až k hyperpolarizaci.

Vlastnosti iontového transportu hrají zásadní roli při vzniku bioelektrických jevů v orgánech a tkáních, které kódují informace, určují funkční stav těchto struktur, jejich přechod z jednoho funkčního stavu do druhého.

Všechny kanály nalezené v živých tkáních, a nyní známe několik stovek druhů kanálů, lze rozdělit do dvou hlavních typů. První typ je odpočinkové kanály, které se samovolně otevírají a zavírají bez jakýchkoliv vnějších vlivů. Jsou důležité pro generování klidového membránového potenciálu. Druhým typem je tzv brány, kanály, nebo portálové kanály(od slova "brána") . V klidu jsou tyto kanály uzavřeny a mohou se otevřít vlivem různých podnětů. Některé druhy takových kanálů se podílejí na vytváření akčních potenciálů.

Většina iontových kanálů je charakterizována selektivita(selektivita), to znamená, že pouze určité ionty procházejí určitým typem kanálu. Na tomto základě se rozlišují sodíkové, draselné, vápenaté, chloridové kanály. Selektivita kanálků je určena velikostí pórů, velikostí iontu a jeho hydratačního obalu, nábojem iontu a nábojem vnitřního povrchu kanálku. Existují však také neselektivní kanály, které mohou propouštět dva typy iontů najednou: například draslík a sodík. Existují kanály, kterými mohou procházet všechny ionty a dokonce i větší molekuly.

Existuje klasifikace iontových kanálů podle způsob aktivace(obr. 9). Některé kanály specificky reagují na fyzické změny v buněčné membráně neuronu. Nejvýraznějšími představiteli této skupiny jsou potenciálně aktivované kanály. Příkladem jsou sodíkové, draselné a vápenaté iontové kanály citlivé na membránový potenciál, které jsou zodpovědné za tvorbu akčního potenciálu. Tyto kanály se otevírají při určitém potenciálu přes membránu. Sodíkové a draslíkové kanály se tedy otevírají při potenciálu asi -60 mV (vnitřní povrch membrány je záporně nabitý ve srovnání s vnějším povrchem). Kalciové kanály se otevírají při potenciálu -30 mV. Skupina kanálů aktivovaných fyzickými změnami zahrnuje

Obr. 9 Způsoby aktivace iontových kanálů

(A) Iontové kanály aktivované změnou membránového potenciálu nebo roztažením membrány. (B) Iontové kanály aktivované chemickými činidly (ligandy) z extracelulární nebo intracelulární strany.

Taky mechanicky citlivé kanály, které reagují na mechanické namáhání (natažení nebo deformace buněčné membrány). Iontové kanály jiné skupiny se otevřou, když chemikálie aktivují speciální receptorová vazebná místa na molekule kanálu. Takový ligandem aktivované kanály se dělí na dvě podskupiny podle toho, zda jsou jejich receptorová centra intracelulární nebo extracelulární. Ligandem aktivované kanály, které reagují na extracelulární stimuly, jsou také nazývány ionotropní receptory. Takové kanály jsou citlivé na mediátory a přímo se podílejí na přenosu informací v synaptických strukturách. Ligandem aktivované kanály aktivované z cytoplazmatické strany zahrnují kanály, které jsou citlivé na změny v koncentraci specifických iontů. Například vápníkem aktivované draslíkové kanály jsou aktivovány lokálním zvýšením koncentrace intracelulárního vápníku. Takové kanály hrají důležitou roli v repolarizaci buněčné membrány během dokončení akčního potenciálu. Kromě vápníkových iontů jsou typickými zástupci intracelulárních ligandů cyklické nukleotidy. Cyklický HMP je například zodpovědný za aktivaci sodíkových kanálů v retinálních tyčinkách. Tento typ kanálu hraje zásadní roli v práci vizuálního analyzátoru. Samostatným typem modulace kanálu vazbou intracelulárního ligandu je fosforylace / defosforylace určitých úseků jeho proteinové molekuly působením intracelulárních enzymů - protein kináz a protein fosfatáz.

Prezentovaná klasifikace kanálů podle způsobu aktivace je do značné míry podmíněná. Některé iontové kanály lze aktivovat pouze několika expozicemi. Například vápníkem aktivované draslíkové kanály jsou také citlivé na potenciální změny a některé napěťově aktivované iontové kanály jsou citlivé na intracelulární ligandy.

Iontové kanály jsou integrální proteiny, které zajišťují pasivní transport iontů podél koncentračního gradientu. Energie pro transport je rozdíl v koncentraci iontů na obou stranách membrány (transmembránový iontový gradient).

Neselektivní kanály mají následující vlastnosti:

· projít všemi typy iontů, ale propustnost pro ionty K + je mnohem vyšší než pro ostatní ionty;

• jsou vždy otevřené.

Selektivní kanály mají následující vlastnosti:

Předejte pouze jeden druh iontů; každý typ iontu má svůj vlastní typ kanálů;

• může být v jednom ze 3 stavů: zavřeno, aktivováno, deaktivováno.

Je zajištěna selektivní permeabilita selektivního kanálu selektivní filtr, který je tvořen prstencem záporně nabitých atomů kyslíku, který se nachází v nejužším místě kanálu.

Změna stavu kanálu je zajištěna činností hradlového mechanismu , který je reprezentován dvěma molekulami bílkovin. Tyto proteinové molekuly, tzv. Aktivační brány a iniciační brány mohou blokovat iontový kanál změnou jejich konformace.

V klidu je aktivační brána zavřená, inaktivační brána otevřená (kanál je uzavřen) (obr. 2.3). Když je signál přiveden do systému brány, aktivační brána se otevře a začne transport iontů kanálem (kanál je aktivován). Při výrazné depolarizaci buněčné membrány se inaktivační brána uzavře a transport iontů se zastaví (kanál je inaktivován). Po obnovení úrovně MP se kanál vrátí do původního (zavřeného) stavu.

V závislosti na signálu, který způsobuje otevření aktivační brány, se selektivní iontové kanály dělí na:

· chemosenzitivní kanály - signálem pro otevření aktivační brány je změna konformace receptorového proteinu spojeného s kanálem v důsledku navázání ligandu na kanál.

• potenciálně citlivé kanály - signálem k otevření aktivační brány je pokles MP (depolarizace) buněčné membrány na určitou úroveň, která se nazývá kritická úroveň depolarizace (CDL);

Podle způsobu aktivace existují:

· potenciálně aktivovaný iontové kanály (přechod z uzavřeného do otevřeného stavu a naopak se provádí konformací molekuly proteinu při změně membránového potenciálu). Příkladem je napěťově závislý sodíkový kanál, který určuje depolarizaci článku při generování akčního potenciálu.

· mechanicky citlivý iontové kanály (otevřené, když je na buněčnou membránu aplikován mechanický stimul, například když jsou aktivovány kožní mechanoreceptory).

· ligandem aktivovaný iontové kanály. Podle způsobu aktivace se dělí na dvě skupiny (extracelulární a intracelulární), podle toho, na kterou stranu membrány ligand působí. Pokud stimul (například acetylcholin) při synaptickém přenosu vzruchu v neuromuskulární synapsi působí na receptor (v tomto příkladu cholinergní receptor, který je jednou z několika proteinových podjednotek iontového kanálu) umístěný na vnějším povrchu membrána svalové buňky, otevře se iontový kanál, propustný pro kationty. Pokud ligandem aktivované kanály závisí na sekundárních poslech v buňce, dochází k jejich přechodu do otevřeného stavu, když se změní koncentrace určitých iontů v cytoplazmě. Příkladem je vápníkem aktivovaný draslíkový kanál, který se aktivuje, když se v buňce zvýší koncentrace iontů vápníku. Tyto kanály se účastní membránové repolarizace při dokončení akčního potenciálu.

Pojem membránový potenciál, rovnovážný iontový potenciál a klidový potenciál. Stavy a příčiny stávajícího potu v klidu. Rovnice konstanty pole. Funkční memb ppotenciál.

Podmínky a důvody existence klidového potenciálu.

Výpočty a experimentální data naznačují, že všechny tělesné buňky ve stavu „provozního“ klidu se vyznačují určitým stupněm polarizace. Plazmalema každé buňky je nabitá a v klidu se na jejím vnitřním povrchu udržuje negativní potenciál vzhledem k mezibuněčnému médiu. Rozdíl transmembránového potenciálu v různých článcích je různý, ale všude dosahuje několika desítek milivoltů. Pomocí mikroelektrodové technologie bylo možné v experimentu přímo změřit skutečný rozdíl potenciálů na obou stranách buněčné membrány.

Jaké ionty a iontové kanály zajišťují bioelektrogenezi? Nyní je známo, že hlavní příspěvek k klidovému potenciálu a akčnímu potenciálu mají čtyři ionty. Na + K + Ca + + Cl - jsou schopny pronikat (nebo nepronikat) za určitých podmínek přes odpovídající iontové kanály.

Aby určitý iont (mající náboj) pronikl membránou, je nutné, aby pro to byly podmínky:

1. Přítomnost koncentračního gradientu (vytvořeného provozem iontových čerpadel)

2. Přítomnost elektrochemického gradientu (vytvořeného součtem koncentrací nabitých částic a vlastností iontových kanálů k oddělení kationtů a aniontů na obou stranách membrány).

3. Přítomnost vhodných kanálů v otevřeném stavu.

Na klidový potenciál vnitřní strana buněčné membrány má náboj, jehož znaménko (negativita) je určeno přítomnost organických aniontů v cytoplazmě(proteiny a aminokyseliny), neschopné proniknout iontovými kanály a deficitní protiionty- draselné kationty, které mohou pronikat draslíkovými iontovými kanály, v důsledku čehož se v buňce vytváří přebytek záporných iontů a v intersticiu přebytek kladného náboje. Velikost záporného náboje v buňce a kladného náboje v mezibuněčném prostoru lze předpovědět matematicky, ale pouze pro relativně jednoduché případy, například pro obrovský axon olihně.

Hodnota klidového potenciálu je popsána se známou aproximací rovnicí konstantního pole navrženou Hodgkinem, Goldmanem a Katzem.

Vm \u003d RT / zFln ((pko + pNa o + pCl i) / (pki+pNai + pCl i))

Pojmy by se neměly zaměňovat membránový potenciál, rovnovážný potenciál A klidový potenciál.

Membránový potenciál je dán součtem nábojů působících na obou stranách membrány, který určuje schopnost určitých iontů pronikat iontovými kanály.

Rovnovážný potenciál je potenciál buněčného plazmalemmatu, při kterém je celkový proud určitého iontu membránou nulový, navzdory možnosti jednotlivých iontů pronikat otevřenými kanály výměnou za stejné ionty následující v opačném směru. Určeno Nernstovou rovnicí.

Funkce klidového membránového potenciálu:

1. Membránová polarizace je podmínkou pro excitaci a inhibici.

2. Polarizace určuje množství uvolnění mediátoru z presynaptického zakončení.

3. PP vytváří podmínky pro nalezení napěťově řízených kanálů v uzavřeném stavu (membránová polarizace vytváří podmínky pro vznik akčního potenciálu).

OBECNÁ FYZIOLOGIE NERVOVÉ SOUSTAVY

Koncept nervového centra.

Nervové centrum- soubor struktur centrální nervové soustavy, jejichž koordinovaná činnost zajišťuje regulaci jednotlivých funkcí těla nebo určitý reflexní akt. Myšlenka strukturálního a funkčního základu nervového centra je způsobena historií vývoje doktríny lokalizace funkcí v centrálním nervovém systému. Vlastnosti nervových center:

2. Pomalé vedení vzruchu neuronovými sítěmi centrálního nervového systému. Synaptické zpoždění Tsyn jednoho mezibuněčného kontaktu je přibližně rovné 0,5-2 ms. Pokud je v síti n neuronů, celková latence signálu v mozku odpovídá n×T syn a může být poměrně významná. Nepřímo, při znalosti doby vedení signálu CNS (vypočtené s přihlédnutím k celkové době reflexu a době strávené vedením podél nervových kmenů), je možné odhadnout počet synaptických spínačů (n) v oblouku určitého reflexu.

4. Jednostranné vedení vzruchu, stejně jako divergence a konvergence synaptických vstupů vytváří morfologický substrát pro cirkulaci vzruchu (dozvuku) uzavřenými nervovými okruhy. Předpokládá se, že tento jev je základem krátkodobé paměti.

5. Pro určité neurony sdružené v jádře je charakteristické činnost na pozadí. Je určena vlastnostmi membrány a závisí na spontánní depolarizaci. Ostatní neurony jsou „tiché“ a generují AP pouze při aktivaci synaptických vstupů.

6. Pro neurony a synapse přítomné na jejich povrchu je citlivost charakteristická pro různé látky, signální molekuly a metabolity obsažené v mozkomíšním moku.

7. je charakteristická únava, jedním z důvodů je snížení zásob dostupného mediátoru a nízká rychlost jeho syntézy.

8. plasticita. Úleva, potenciace (tetanická posttetanická, dlouhodobá), deprese jsou dány vlastnostmi receptorů, stopovými procesy a výskytem nových synaptických kontaktů nebo receptorů na povrchu neuronů.

Nervové sítě mozku se vyznačují řízenými, jednostrannými (lineární) vedení buzení. Pokud existuje řetězec neuronů propojených synaptickými kontakty, pak díky vlastnosti chemických synapsí uvolnit mediátor z presynaptického zakončení do synaptické štěrbiny a receptor lokalizovaný na postsynaptické membráně, vektor šíření vzruchu v neuronové síti je směrován k následnému postsynaptickému neuronu. Běžným příkladem tohoto principu je právo Bella-Magendie(aferentní vlákna vstupují do míchy přes dorzální, motorická vlákna opouštějí míchu ventrálními kořeny).

Procesy konvergence spočívají v konvergenci různých toků impulsů z několika nervových buněk do stejného neuronu (viz část 4.1.4). Proces konvergence je charakteristický nejen pro stejný typ nervových buněk. Například na motorických neuronech míchy se kromě primárních aferentních vláken sbíhají vlákna různých sestupných drah ze supraspinálních a vlastních míšních center a také z excitačních a inhibičních interkalárních interkalárních neuronů. Výsledkem je, že motorické neurony míchy fungují jako společná konečná cesta pro četné nervové formace, včetně suprasegmentálního aparátu mozku, související s regulací motorických funkcí.

Divergence nazývaná schopnost nervové buňky vytvořit četná synaptická spojení s různými nervovými buňkami. Díky tomu se jedna nervová buňka může účastnit několika různých reakcí, přenášet excitaci na značný počet dalších neuronů, které mohou excitovat větší počet neuronů, což zajišťuje široké ozařování excitačního procesu v centrálních nervových formacích.

Struktura neuronu.

Funkčně lze neurony míchy rozdělit do 4 hlavních skupin:

1) motorické neurony nebo motorické - buňky předních rohů, jejichž axony tvoří přední kořeny;

2) interneurony - neurony, které přijímají informace z míšních ganglií a nacházejí se v zadních rozích. Tyto neurony reagují na bolest, teplotu, hmatové, vibrační, proprioceptivní podněty;

3) sympatické, parasympatické neurony se nacházejí hlavně v postranních rozích. Axony těchto neuronů vystupují z míchy jako součást předních kořenů;

4)) asociativní buňky - neurony vlastního aparátu míchy, vytvářející spojení uvnitř a mezi segmenty.

Motoneurony. Axon motorického neuronu se svými terminály inervuje stovky svalových vláken a tvoří jednotku motorického neuronu

Interneurony. Tyto střední neurony, generující impulsy s frekvencí až 1000 za sekundu, jsou aktivní na pozadí a mají až 500 synapsí na svých dendritech. Funkcí interneuronů je organizovat spojení mezi strukturami míchy a zajišťovat vliv vzestupných a sestupných drah na buňky jednotlivých segmentů míchy. Velmi důležitou funkcí interneuronů je inhibice aktivity neuronů, která zajišťuje zachování směru vzruchové dráhy.

Neurony sympatického oddělení autonomního systému. Jsou umístěny v postranních rozích segmentů hrudní míchy. Tyto neurony jsou aktivní na pozadí, ale mají vzácnou frekvenci impulzů (3-5 za sekundu).

Neurony parasympatického oddělení autonomního systému. Jsou lokalizovány v sakrální části míchy a jsou pozadí aktivní.

Neuroglie nebo glia je soubor buněčných elementů nervové tkáně, tvořený specializovanými buňkami různých tvarů. Neurogliové buňky vyplňují prostory mezi neurony a představují 40 % objemu mozku. Gliové buňky 3-4krát menší než nervové; Jak člověk stárne, počet neuronů v mozku klesá a počet gliových buněk se zvyšuje. Klasifikace:

Astrocyty jsou mnohovětvené buňky s oválnými jádry a malým množstvím chromatinu. Velikost astrocytů je 7-25 mikronů. nachází se hlavně v šedé hmotě mozku. Jádra astrocytů obsahují DNA, protoplazma má lamelární komplex, centrisom a mitochondrie. astrocyty slouží jako podpora neuronů, zajišťují reparační procesy nervových kmenů, izolují nervové vlákno a podílejí se na metabolismu neuronů. Procesy astrocytů tvoří "nohy", obalující kapiláry a téměř úplně je pokrývají. V důsledku toho se mezi neurony a kapilárami nacházejí pouze astrocyty. Zřejmě zajišťují transport látek z krve do neuronu a naopak. Astrocyty tvoří mosty mezi kapilárami a ependymem vystýlajícím dutiny mozkových komor. Předpokládá se, že tímto způsobem je zajištěna výměna mezi krví a mozkomíšním mokem mozkových komor, tj. astrocyty plní transportní funkci.

Oligodendrocyty – malý počet procesů. Jsou menší než astrocyty. V mozkové kůře se zvyšuje počet oligodendrocytů z horních vrstev do spodních. V subkortikálních strukturách je v mozkovém kmeni více oligodendrocytů než v kortexu. Oligodendrocyty se podílejí na myelinizaci axonů (proto je jich v bílé hmotě mozku více), na metabolismu neuronů a také na neuronálním trofismu.

Mikroglii představují nejmenší multigliové buňky patřící mezi putující buňky. Mikroglie pocházejí z mezodermu. Mikrogliální buňky jsou schopné fagocytózy.

14. Moderní představy o mezibuněčných kontaktech.

Synapse se nazývají kontakty, které zakládají neurony jako nezávislé formace. Synapse je složitá struktura a skládá se z presynaptické části (konec axonu, který přenáší signál), synaptické štěrbiny a postsynaptické části (struktura vnímající buňky).

Klasifikace synapsí. Synapse jsou klasifikovány podle umístění, povahy akce, způsobu přenosu signálu.

Podle umístění se rozlišují neuromuskulární, synapse a neuroneuronální, ty se zase dělí na axo-somatické, axo-axonální, axodendritické, dendrosomatické.

Podle povahy působení na vnímající strukturu mohou být synapse excitační a inhibiční.

Podle způsobu přenosu signálu se synapse dělí na elektrické, chemické, smíšené.

Povaha interakce neuronů. Je určena metodou této interakce: vzdálená, sousedící, kontaktní.

Vzdálenou interakci mohou zajistit dva neurony umístěné v různých strukturách těla. Například v buňkách řady mozkových struktur se tvoří neurohormony, neuropeptidy, které jsou schopny ovlivňovat humorální systém na neuronech jiných oddělení.

Sousední interakce neuronů se provádí v případě, kdy jsou membrány neuronů odděleny pouze mezibuněčným prostorem. Typicky k takové interakci dochází tam, kde mezi membránami neuronů nejsou žádné gliové buňky. Takové sousedství je typické pro axony čichového nervu, paralelní vlákna mozečku atd. Má se za to, že sousední interakce zajišťuje účast sousedních neuronů na výkonu jediné funkce. K tomu dochází zejména proto, že metabolity, produkty neuronové aktivity, vstupující do mezibuněčného prostoru, ovlivňují sousední neurony. Sousední interakce může v některých případech zajistit přenos elektrické informace z neuronu na neuron