Все клетки живого организма поляризованы. Между внутренней средой клетки и внешней средой существует разность потенциалов, которая носит название мембранного потенциала. В случае возбудимых тканей он называется потенциалом покоя. Его величина в разных тканях неодинакова.
Существование животного электричества открыл Л.Гальвани в 1791 г. Гипотеза, объясняющая происхождение мембранного потенциала была выдвинута Чаговцем в 1896 г, получила дальнейшее развитие в трудах Бернштейна ( 1902 г) и превратилась в теорию после экспериментальной проверки группой экспериментаторов ( Ходжкин, Катц, Хаксли 1949-1952 гг).
Согласно этой теории, потенциал покоя возникает вследствие неравномерного распределения ионов внутри клетки по от- ношению к внешней среде, а также селективных свойств мембраны.
Неравномерность распределения ионов внутри клетки по отношению к внешней среде проявляется в том, что катионов калия внутри клетки больше в 40-50 раз, натрия меньше в 8-12 раз, анионов хлора меньше в 30-40 раз. Разность концентраций ионов создается работой ионных насосов, активность которых увеличивается при нарушении внутриклеточной концентрации ионов.
Селективность мембраны обусловливает ее важнейшее свойство – полупроницаемость. В состоянии покоя проницаемость для калия, натрия и хлора неодинаковы:
Р калия : Р натрия : Р хлора = 1 : 0,04 : 0, 45
В связи с наилучшей проницаемостью мембраны и выраженным концентрационным градиентом, катионы калия выходят через калиевые каналы из клетки. При этом клетка теряет положительно заряженные ионы и приобретает отрицательный заряд.
Силами электростатического взаимодействия катионы калия удерживаются на наружной стороне мембраны, являясь материальным носителем ее положительного заряда.
Носителями отрицательного заряда внутренней стороны мембраны являются крупные органические анионы.
По мере выхода калия клетка все больше поляризуется. При этом все больше нарастает сила, обусловленная электрическим градиентом, препятствующая выходу положительно заряженных ионов калия. В со- стоянии покоя выходящий ток калия (по концентрационному градиенту) и входящий ток ( по электрохимическому градиенту ) уравновешиваются и мембранный потенциал становится стабильным от -60 до -80 мв.
В зависимости от его величины мембрана может быть поляризована (величина мембранного потенциала равна потенциалу покоя), деполяризована (мембранный потенциал меньше потенциала покоя), гиперполяризована (мембранный потенциал больше потенциала покоя).
Возможные изменения мембранного потенциала будут возникать или при нарушении градиентов, или при изменениях проницаемости мембраны ( наиболее распространенная ситуация ). Для катионов калия можно рассчитать по формуле Нернста равновесный калиевый потенциал:
Свой вклад в потенциал покоя вносят другие потенциалобразующие ионы ( натрий, хлор, кальций ). Для каждого из них можно рассчитать равновесный потенциал по формуле Нернста. Суммарная величина мембранного потенциала приближается к сумме равновесных протенциалов основных потенциалобразующих ионов.
В процессе поляризации мембраны клетка теряет катионы калия и получает ионы натрия и хлора, однако нарушения ионного градиента не происходит. Обеспечение постоянства последнего связано с деятельностью механизмов активного транспорта ионов ( ионных насосов). Перенос калия внутрь клетки и натрия наружу обеспечивается котранспортом этих ионов.
Основной перенос осуществляется калий- натриевым насосом (АТФазой). Этот механизм является электрогенным, поскольку на 2 катиона калия, переносимого внутрь клетки, наружу переносится 3 катиона натрия. Тем самым происходит увеличение разности потенциалов клеточной мембраны (до 25% от общей величины потенциала покоя), рис. 10.
Таким образом, потенциал покоя создается:
- Наравеновесным распределением калия, натрия, хлора и кальция внутри клетки по отношению к внешней среде.
- Разной проницаемостью мембраны для этих ионов.
- Основным потенциалобразующим ионом является катион калия в связи с существованием выраженного градиента и максимальной для него проницаемостью мембраны.
- Постоянство потенциала покоя связано с постоянством ионных градиентов, которые поддерживаются работой ионных насосов.
- Электрогенность калий-натриевого насоса вносит дополни- тельный вклад в создание мембранного потенциала.
Потенциал покоя мембраны мышечного волокна и потенциал действия
Описан механизм развития потенциала действия в мышечном волокне, приводящий к началу мышечного сокращения. Даны понятия потенциала покоя, потенциала концевой пластинки, потенциала действия, деполяризации и реполяризации мембраны мышечного волокна.
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ МЕМБРАНЫ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ
Давайте рассмотрим, как возникает и развивается потенциал действия, который приводит в дальнейшем к сокращению скелетных мышц. Вначале разберем, что такое потенциал покоя.
Потенциал покоя мембраны мышечного волокна
В состоянии покоя сарколемма (мембрана) мышечного волокна поляризована или, другими словами, имеется определенный мембранный потенциал покоя. Снаружи мембраны заряд положительный, а внутри – отрицательный (рис.1). Разность потенциалов между наружной и внутренней оболочками мембраны мышечного волокна составляет 90 мВ.
Рис.1. Поляризация оболочки мышечного волокна в невозбужденном состоянии
В тканевой жидкости, окружающей мышечные волокна, выше концентрация ионов натрия (Na+), а в саркоплазме мышечного волокна – ионов калия (К+).
Однако положительно заряженные ионы К+ не полностью уравновешивают анионы (отрицательно заряженные ионы), содержащиеся в саркоплазме мышечного волокна, это обусловливает отрицательный заряд мембраны мышечного волокна (то есть ее внутренней оболочки).
После того, как нервный импульс доходит до синапса (концевой пластинки), соединяющего нервное и мышечное волокна, в синаптическую щель выделяется ацетилхолин.
Ацетилхолин проникает (диффундирует) через синаптическую щель и прикрепляется к рецепторам ацетилхолина в области концевой пластинки (месте контакта мотонейрона и мышечного волокна). В результате этого открываются каналы, через которые в мышечное волокно входят ионы Na+ и выходят ионы К+.
Ионов натрия в мышечное волокно входит больше, чем выходит из волокна ионов К+. При этом в области концевой пластинки потенциал наружной оболочки мышечного волокна становится отрицательным, а внутренней – положительным. Поэтому мембрана в области концевой пластинки деполяризуется (то есть изменяет свою полярность) и возникает потенциал концевой пластинки.
Потенциал действия
Возникшая волна деполяризации передается вдоль оболочки мышечного волокна. При этом все больше открывается каналов натрия и все больше ионов Na+ входит внутрь волокна. Скорость проникновения ионов Na+ внутрь мышечного волокна очень высокая — несколько миллионов ионов в секунду (А. Дж. Мак-Комас, 2001) (рис.2).
Рис. 2. Распространение волны деполяризации вдоль поверхностной мембраны мышечного волокна (E.N.Marieb, 2015)
Каналы калия, однако остаются закрытыми. Через каналы натрия ионы К+ пройти не могут. Это связано с тем, что ионы Na+ имеют диаметр 0,1 нм, а ионы К+ — 0,13 нм.
Этот кратковременный процесс (не более 1-2 мс) деполяризации мышечного волокна называется потенциалом действия. Разность потенциалов между оболочками мышечного волокна доходит до 120-130 мВ.
Волна деполяризации через Т-трубочки достигает саркоплазматического ретикулума, и из него в саркоплазму выделяются ионы кальция (Ca2+) начинается процесс сокращения мышечного волокна.
Об этом я расскажу более подробно в дальнейшем.
Следует заметить, что процесс распространения волны деполяризации вдоль мышечного волокна можно зарегистрировать посредством электромиографии.
Реполяризация
После прохождения волны деполяризации, каналы натрия закрываются и открываются каналы калия. Ионы К+ начинают выходить из мышечного волокна, так как они заряжены положительно, а снаружи мембрана заряжена отрицательно. Потенциал действия снижается.
Мембрана мышечного волокна восстанавливает свою полярность. Это называется реполяризацией. Вновь снаружи она заряжена положительно, а внутри – отрицательно.
Однако существуют отличия от первоначального состояния мышечного волокна, так как снаружи мышечного волокна теперь много ионов К+, а внутри мышечного волокна много ионов Na+ .
Работа натрий-калиевой помпы (насоса)
Чтобы восстановить исходное состояние мышечного волокна начинает действовать натрий-калиевый насос (помпа).
Этот насос за счет энергии АТФ активно выкачивает из мышечного волокна ионы Na+ и закачивает ионы К+ внутрь. Натрий-калиевый насос представляет собой белковую молекулу.
Таких молекул в мембране мышечного волокна достаточно много. На работу этого механизма тратится около 70% энергии мышечного волокна.
Работа кальциевой помпы (насоса)
Чтобы закачать в саркоплазматический ретикулум ионы кальция, начинает работать кальциевый насос. Этот насос закачивает в саркоплазматический ретикулум 90% ионов кальция (Ca2+).
Функционирование этого насоса стимулирует присутствие ионов магния ( Mg2+). Для транспорта ионов кальция в саркоплазматический ретикулум также нужна энергия АТФ.
Доказано, что для транспорта двух ионов кальция тратится одна молекула АТФ ( А. Дж. МакКомас, 2001).
Литература:
1. Мак-Комас А. Дж. Скелетные мышцы человека. – Киев: Олимпийская литература, 2001.- 407 с.
С уважением, А.В. Самсонова
ПОИСК
Однако основным предположением в уравнении Ходжкин — Хаксли является активация или воротный механизм. Ионный канал должен содержать компонент, который в зависимости от приложенного потенциала либо открывает канал для катионов [c.134]
Зависимость параметров канала от мембранного потенциала.
Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой (рис. 4.2). На языке ионных каналов этот процесс происходит следующим образом.
Ион-селективный канал имеет сенсор — некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (рис. 4.6).
При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания ворот — своеобразных заслонок, действующих по закону все или ничего .
Экспериментально показано, что под действием деполяризации мембраны увеличивается вероятность перехода натриевого канала в проводящее состояние. Скачок напряжения на мембране, создаваемый при измерениях методом фиксации потенциала (рис. 3.5 и 4.2), приводит к тому, что большое число каналов открывается.
Через них проходит больше зарядов, а значит, в среднем, протекает больший ток. Существенно, что процесс роста проводимости канала определяется увеличением вероятности перехода канала в открытое состояние, а не увеличением диаметра открытого канала. Таково современное представление о механизме прохождения тока через одиночный канал. [c.103]
Соответствующий математический анализ флуктуаций проводимости мембраны проводится с целью определения ряда параметров, характеризующих свойства одиночного канала время открытого состояния (то = 1/р) и скорости переходов между разными состояниями проводимость одиночного канала. Напомним, что проводимость мембраны (XIX. 25) характеризует зависимость потока ионов (ток) от потенциала на мембране g = В случае линейных вольтамперных зависи- [c.141] По определению потенциал-зависимые каналы-это такие каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала. Это наводит на мысль о каком-то простом механизме включения и выключения каналоа Но в случае натриевых каналов, ответствеиных за потенциал действия, этот механизм несколько сложнее, и существенную роль в нем играет временная задержка. Поведение канала можно исследовать с помощью описанного выше метода фиксации напряжения. Если мембранный потенциал поддерживать на уровне нормального потенциала покоя (примерно — 70 мВХ натриевый ток практически отсутствует это указывает на то, что почти все натриевые каналы закрыты. Если теперь резко сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону, скажем до О мВ, и удерживать клетку в таком деполяризованном состоянии, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы На потекут в клетку вниз по градиенту концентрации. Этот нат мевый ток достигнет максимума примерно через 0,5 мс после того, как установится новое значение потенциала. Однако уже спустя несколько миллисекунд ток падает почти до нуля, даже если мембрана остается деполяризованной (рис. 18-И). Значит, каналы открылись на какой-то момент и вновь закрылись. Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, которое явно отличается от их первоначального закрытого состояния, когда они еще были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд. [c.81] Проводимость каналов. Воротные токи. Изменение потоков Ма и К ( На и г к) во время потенциала действия (рис. 16.1) обеспечивается двумя типами ионных каналов для Ма и К, проводимость которых по-разному меняется в зависимости от электрического потенциала на мембране. Ма — проводимость быстро нарастает и затем быстро экспоненциально уменьшается. Калиевая проводимость нарастает по 5-образной кривой и за 5 — 6 мс выходит на постоянный уровень. Восстановление натриевой проводимости до исходных значений происходит в 10 раз быстрее, чем калиевой проводимости. Вопрос о том, каким образом проводимость ионных каналов управляется электрическим полем, является одним из центральных в биофизике мембранных процессов. В модели Ходжкина — Хаксли предполагается, что проводимость для ионов Ма и К регулируется некоторыми положительно заряженными управляющими частицами, которые перемешаются в мембране при изменениях электрического поля. Смещение положения этих частиц в мембране зависит от приложенного потенциала и соответствующим образом открывает или закрывает ионный канал. Считается, что в случае калиевой проводимости имеются четыре активирующие канальную проводимость частицы. В случае Ма — канала предполагается наличие трех активирующих частиц, необходимых для открывания, и одной инактивирующей частицы-для закрывания канала. На основе этих предположений удалось построить математическую модель, с высокой точностью воспроизводящую нервный импульс. Главное достижение состоит в разделении трансмембранных токов на отдельные компоненты (г на и г к) и в экспериментальном изучении их свойств. В функциональной структуре канала были выделены элементы, ответственные за механизмы селекции ионов (селективный фильтр), активации (активационные ворота) и инактивации канала (инактивационные ворота) (рис. 16.2). Движение заряженных управляющих частиц в канале (воротных частиц) обнаруживается экспериментально по возникновению воротных токов. Они появляются в результате смещения частиц в мембране под влиянием наложенного на мембрану электрического импульса. Удалось обнаружить воротные токи смещения, связанные с частицами, отрывающими Ма-канал. Вместе с [c.154]
Разнообразие потенциал-зависимых и лиганд-зависимых ионных каналов в мембранах нервных клеток обеспечивается существованием кодирующих такие каналы мультигенных семейств (например, потенциал-зависимые Ыа-каналы) и опять-таки альтернативным сплайсингом (потенциал-зависимые К-каналы)- Один и тот же ген у дрозофилы кодирует четыре по-липептидные цепи, участвующие в формировании функционально активного К-канала. Эти полипептиды имеют одинаковые центральные домены, содержащие характерные для потенциалзависимых каналов элементы. [c.24]
Известно, что болевое раздражение усиливает рефлекс втягивания жабры у моллюска аплизии за счет модуляции секреции передатчиков сенсорными нейронами. Повышение чувствительности происходит за счет снижения К-прово-димости и соответствующего увеличения продолжительности потенциала действия, Б результате чего усиливаются Са-рефлекс и экзоцитоз.
Болевое раздражение вызывает выделение серотонина облегчающим нейроном в окончаниях сенсорных нейронов. Серотонин, в свою очередь, увеличивает синтез цАМФ, активность протеинкиназы А и степень фосфорилирования белка, тесно связанного с К-каналом. В результате происходит закрытие канала.
Блокада К-каналов приводит к тому, что приходящий в нервное окончание потенциал действия спадает медленно продленные потенциалы действия удерживают потенциал-зависимые Са-каналы в открытом состоянии, вследствие чего приток ионов Са возрастает. Это, в свою очередь, ведет к опорожнению большего числа синаптических пузырьков.
К блокаде К-каналов приводит также добавление АТФ и К субъединицы протеинкиназы А в мембранные препараты нейронов добавление протеинфосфатазы обусловливает открывание К-каналов. [c.342]
Функции потенциал-зависимых Ка -каналов специфически блокируются двумя паралитическими чдами тетродотоксином (ТТХ), получаемым из иглобрюхих рыб и сакситоксином, который выделяют из определенных видов морских динофлагелляг.
Из-за высокой аффинности и специфичности эти токсины оказались незаменимыми для фармакологических исследований, подсчета числа Ка -каналов в мембране и для очистки этих каналов. Было показано, что в плазматической мембране клеток скелетных мышц находится лишь несколько сотен Ка -каналов на 1 мкм , т е. один канал на 10 ООО молекул фосфолипидов.
Несмотря на такую малую плотность каналов, эта мембраны электрически возбудимы, поскольку каждый канал обладает высокой проводимостью, пропуская более 8000 ионов за 1 миллисекунду. [c.401]
Проведение нервных импульсов зависит главным образом, а во многих аксонах позвоночных почти полностью, ог потенциал-зависимых натриевых каналов. Первоначально импульсы генерируются мембраной аксонного холмика, где таких каналов очень много.
Но дпя осуществления особой функции кодирования мембрана аксонного холмика должна содержать еще по меньшей мере четыре класса ионных каналов — три избирательно проницаемых для ионов калия и один проницаемый для Са , Три разновидности калиевых каналов обладают различными свойствами — мы будем называть их медленными, быотрымии зависимыми к шевъши. каналами.
Кодирующие функции этих канала наиболее изучены на гигантских нейронах моллюсков, но те же принципы используются, по-видимому, и в других нейронах. [c.322]
| Рис. 19-26. Измерение тока через открытый канал ацетилхолинового рецептора при разных значениях мембранного потенциала. С помощью таких измерений можно установить ионную селективность каналов. Ток, переносимый через открытый канал ионами определенного вида, будет изменяться при изменении мембранного потенциала определенным образом в зависимости от вида иона и градиента его концентрации по обе стороны мембраны. Зная градиенты концентраций основных присутствующих ионов, можно определить ионную селективность канала путем простого измерения зависимости ток/напряжение более полную информацию можно получить в результате повторных измерений при других концентрациях иона. А. Зарегистрированный с помощью метода пэтч-клампа ток, проходящий через одиночный канал, находящийся в растворе с фиксированной концентрацией ацетилхолина, при трех различных значениях мембранного потенциала. В каждом случае канал случайным образом переходит из закрытого состояния в открытое и обратно, но при некотором значении мембранного потенциала, которое называют потенциалом реверсии, гок равен нулю даже тогда, когда канал открыт. В данном случае потенциал реверсии близок к О мВ. Б. Такое же явление можно наблюдать, измеряя после одиночной стимуляции нерва общий ток через больщое количество одиночных каналов с ацетилхолиновым рецептором, находящихся в постсинаптической мембране нервно-мыщечного соединения. На графиках показаны изменения этого гока, измеренного с помощью внутриклеточных электродов в условиях фиксации напряжения. Каналы открываются при коротком воздействии ацетилхолина, но если мембранный потенциал поддерживается на уровне потенциала реверсии, го ток равен нулю. Поскольку открытые каналы проницаемы как для Na . так и для К . а значения электрохимических движущих сил для этих ионов различны, нулевой ток в действительности соответствует уравновещенным и направленным навстречу друг другу токам Na и К . (Эти каналы проницаемы и для Са , но ток, переносимый ионами кальция, очень мал, так как их концентрация низка.) |  |
По величине потенциала реверсии и его чувствительности к концентрациям ионов во внещней среде можно судить об относительной проницаемости канала для разных ионов. Например, некоторые лиганд-зависимые каналы селективно проницаемы для С Г, и такие каналы можно идегггифицировать по величине потенциала реверсии, равной —60 мВ, что близко к равновесному потенциалу С1 при этом потенциал реверсии зависит от внеклеточной концентрации СГ, но не Na или К . [c.314]
На рис, 184 приведена зависимость плотности юка ог времени для железного анода, поляризуемого при постоянном потенциале электрода (—0,5 в) с помощью потенцйостата , для песчаной почвы различной влажности.
Видно, что во всех почвах плотность тока, необходимая для поддержания заданного анодного потенциала, уменьшается со временем В точках, указанных стрелками, происходит резкое падение плотности аноднополяризующего тока почти до нуля, что и указывает на наступление анодной пассивности электрода.
Наблюдаемая на поляризационных кривых при более низких влажностях почвы (начиная от 5% и ниж ) более сильная поляризуемость, сопровождаемая иногда образованием характерных минимумов (см. рис, 181), связана также с добавочным торможением анодного процесса вследствие возникновения анодных па сивных пленок и последующего их разрушения при повышенной плотности анодно-поляризующего тока.
Так как анодный процесс ионизации металла связан с переходом атома металла в гидратированный катион металла, то для его осуществления необходимо присутствие в почве некоторого количества влаги, В большинстве естественных, не очень сухих почв имеющаяся влажность оказывается достаточной для осуществления анодного процесса и он может протека гь без заметного торможения.
Однако в достато-iHo сухих почвах, когда в почве и на поверхности металла остается только адсорбционно связанная влага, для проте кания анодного процесса возникает дополнительное торможение, связанное с недостатком на поверхности металла влаги, необходимой для процесса гидратации аноднорастворяющихся ионов металла.
В этом случае скорость анодной реакции может уже контролироваться транспортом (диффузией) водяных паров в зону реакции (к аноду). В эти условиях при наличии на поверхности металла неувлажненной почвы анодный процесс будет тормозиться даже в большей степени, чем в условиях атмосферной коррозии под адсорбционной пленкой влаги (рис. 185).
Этот механизм может быть привлечен для объяснения наблюдаемого уменьшения скоро ти коррозии образцов, зарытых в сухую почву (песок или глину), по сравнению со скоростью коррозии таких же образцов з чисто атмосферных условиях. В общем, в отношении железного электрода можно считать, чго во влажных нейтральных почвах анодный проце -с будет протекать по типу, характерному для жидких нейтральных элек- [c.360]
Смотреть страницы где упоминается термин Потенциал-зависимые ионные каналы: [c.401] [c.78] [c.401] [c.100] [c.98] [c.308] [c.121] [c.135] [c.603] [c.154] [c.83] [c.250] [c.399] [c.314]
Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.295 , c.399 , c.400 , c.401 ]
Молекулярная биология клетки Т.3 Изд.2 (1994) — [ c.295 , c.399 , c.400 , c.401 ]
Ионный потенциал
© 2022 chem21.info Реклама на сайте
Избранные вопросы молекулярной патологии для клинических ординаторов 2020
Международная ассоциация по изучению боли (IASP) дала следующее определение понятию боль:
Боль — неприятное сенсорное и эмоциональное переживание, связанное с истинным или потенциальным повреждением ткани или описываемое в терминах такого повреждения
То есть боль, как правило, нечто большее, чем чистое ощущение, связанное с существующим или возможным органическим повреждением, поскольку обычно сопровождается эмоциональным переживанием
Боль — системная реакция организма, возникающая на действие повреждающего фактора и направаленная на избавление организма от него. П. К. Анохин
Системная реакция проявляется комплексом реакций.
Соматические — обеспечивают уход организма от повреждающего агента (двигательные).
Вегетативные — перестройка работы внутренних органов на новый уровень, изменяется гемодинамика. В результате обеспечивается работа органов на постоянном уровне. Эти реакции обеспечиваются за счёт вовлечения в ответный процесс вегетативной нервной системы и желёз внутренней секреции.
- Эмоциональные реакции — обеспечиваются высшими отделами центральной нервной системы.
- Боль — психофизиологический феномен, обеспечивающий перестройку внутри организма, меняя его отношения с внешней средой.
- Как системная реакция организма боль состоит из 3-х процессов:
- проведение импульсов в центральную нервную систему и возбуждение центральных структур;
- комплекс эффективных реакций, направленных на избавление организма от вредного фактора.
Ноцице́пция; ноциперце́пция; физиологи́ческая боль — это активность в афферентных (чувствительных) нервных волокнах периферической и центральной нервной системы, возбуждаемая разнообразными стимулами, обладающими пульсирующей интенсивностью.
Данная активность генерируется ноцицепторами, или по-другому рецепторами боли, которые могут отслеживать механические, тепловые или химические воздействия, превышающие генетически установленный порог возбудимости. Получив повреждающий стимул, ноцицептор передаёт сигнал через спинной мозг и далее в головной.
Ноцицепция сопровождается также самыми разнообразными проявлениями и может служить для возникновения опыта боли у живых существ.
Реакции, вызываемые ноцицепцией
Когда ноцицепторы стимулируются, они передают сигналы через сенсорные нейроны в спинном мозге. Эти нейроны высвобождают глютамат, главный нейромедиатор, который пересылает сигналы от одного нейрона к другому через синапсы. Если сигналы поступают в ретикулярную формацию и таламус, ощущение боли возникает в сознании в тупой, плохо локализуемой форме.
Из таламуса сигнал может направляться в соматосенсорную кору головного мозга, и тогда боль локализуется более чётко и ощущается с более определёнными характеристиками.
Ноцицепция может также вызывать менее определённые автоматические реакции, не зависимые от сознания, такие как бледность, потоотделение, брадикардию, гипотонию, головокружение, тошноту и обморок.
Происхождение термина
Термин «ноцицепция» был введен Чарльзом Скоттом Шеррингтоном, чтобы более чётко дифференцировать между физиологическим характером нервной активности при повреждении ткани и психологической реакцией на физиологическую боль. Слово «ноцицепция» происходит от латинских слов nocere — вредить и capere — брать, взять, принимать.
Пропустить Оглавление Пропустить Навигация Пропустить Настройки Пропустить Пользователи на сайте
041. Методы измерения биопотенциалов. Методы фиксации напряжения. Пэтч-клямп. Метод внутриклеточной перфузии
Метод фиксации потенциала. Для изучения потенциалзависимых мембранных каналов применяется метод фиксации потенциала. В данном методе используют электронную систему с обратной связью, которая обеспечивает автоматическое поддержание мембранного потенциала.
Разность потенциалов по разные стороны мембраны фиксируют на определенном уровне, при этом мембранный потенциал можно ступенчато изменят на строго определенную величину. Такой метод позволяет измерить ионные токи, протекающие сквозь мембрану через каналы, которые активируются при изменении потенциала.
В соответствии с законом Ома, если напряжение на мембране постоянно, изменения тока однозначно связанные с изменениями проводимости. В свою очередь, можно фиксировать мембранный потенциал на разном уровне и измерять возникающие при этом токи.
Если же использовать растворы с различенным ионным составом, и препараты, избирательно блокирующие тот или иной канал, то можно будет изучать поведение различных ионных каналов, через которые протекают измеряемые токи.
Технически фиксация потенциала осуществляется следующим образом. При помощи усилителя-регулятора внутриклеточный потенциал сравнивают с управляющим потенциалом. Любое отклонение мембранного потенциала от управляющего усиливается и на выходе усилителя возникает управляющий ток.
Этот ток течет через электроды, расположенные по разные стороны мембраны в таком направлении, что мембранный потенциал вновь становится равным управляющему. Такое автоматическое согласование происходит за долю миллисекунды после того, как задается ступенчатый управляющий потенциал.
Когда в ответ на такую ступенчатую деполяризацию открываются натриевые (или какие-либо другие) каналы, соответствующие ионы входят в аксон по электрохимическому градиенту и переносят с собой электрические заряды.
Эти входящие заряды стремятся сдвинуть мембранный потенциал в положительном направлении, однако малейшее отклонение от управляющего потенциала немедленно компенсируется в результате удаления из клеток избыточных зарядов с помощью усилителя-регулятора.
При этом записывается тот ток, который подается усилителем для поддержания мембранного потенциала на необходимом уровне, и этот ток в точности равен ионному току, протекающему через мембрану.
Метод фиксации напряжения, или кламп метод, позволяет измерять ионный поток при перемещении иона по контролируемому градиенту электрохимического потенциала и получать информацию об электрической проводимости мембраны и её пассивной проницаемости в отношении интересующего нас иона. Этот метод используется для измерения вольт-амперных характеристик растительных клеток, что позволяет получить информацию о тонких механизмах функционирования различных систем мембранного транспорта.
Метод пэтч-кламп (позволяет осуществлять локальную (точечную) фиксацию мембранного потенциала и измерять токи через одиночные ионные каналы. На данный момент этот метод является мощным средством для исследования биомембран. Метод позволяет:
- проводить многие исследования в рамках классических электрофизиологических подходов.
- регистрировать токи и потенциалы от клеток очень малых размеров (3-10 мкм)
- регистрировать токи одиночных каналов амплитудой порядка пикоампер
- исследовать действие лекарственных препаратов при быстром подведении их как к наружной, так и к внутренней стороне мембраны.
Метод пэтч-кламп был введен в исследовательскую практику Неером и Сакманом. Основой для создания метода послужило обнаружение факта, что при определённых условиях клеточная мембрана формирует очень плотный контакт с поверхностью кончика стеклянного микроэлектрода.
При небольшом разрежении, создаваемом внутри пипетки, между стеклом и мембранным фрагментом возникает контакт, имеющий гигаомное сопротивление. В результате образуется электрически изолированный участок мембраны, и шум регистрирующего сигнала уменьшается на несколько порядков.
Так как контакт мембраны со стеклом очень прочен, то находящийся под кончиком электрода фрагмент надо либо изолировать от клетки, либо разрушить, и таким образом проникнуть внутрь клетки.
Наиболее близким к естественным условиям является вариант измерения ионных токов на прикреплённой, но неповрежденной клетке.
Измерение на целой клетке при разрушении мембраны в кончике микропипетки (whole-cell) позволяет заменять ионный состав цитоплазмы и изучать на диализированных таким образом клетках ионные токи в режиме фиксации напряжения.
Ионные токи через небольшие мембранные фрагменты измеряют с помощью пипеток, у которых диаметр кончика соизмерим с размерами фрагментов. Сопротивление пипеток, заполненных раствором 150 ммоль/л KCl и погруженных в раствор такой же концентрации, приблизительно линейно зависит от площади отверстия кончика и варьирует от 1 до 5 МОм.
Метод перфузии клеток. Суть метода заключается в следующем. Исследуемый нейрон диаметром от 40 до 200 мкм помещается в конусообразную пору перегородки (1 = 200—300 и 2=25—80 мкм), разделяющей верхний и нижний отсеки экспериментальной камеры.
Стены поры покрыты клейкой массой, изготовленной на основе вазелинового масла. В нижней камере создается отрицательное гидростатическое давление, обеспечивающее слипание мембраны клетки со стенками поры и частичное разрушение участка мембраны, контактирующего с нижним отсеком.
Окончательное разрушение барьерных свойств этого участка достигается пропусканием через нижний отсек изоосмотического раствора соли калия, не содержащего кальция. После этого гидростатическое давление снимается. Верхний отсек камеры заполняется раствором Риигера.
Контактирующий с ним рабочий участок клеточной мембраны полностью сохраняет возбудимость и генерирует полноценные потенциалы действия, которые отводятся электродами, находящимися в обоих отсеках камеры.
Загрузка...
