Svojstva ionskih kanala
Selektivnost je selektivna, povećana propusnost IR za određene ione. Za ostale ione propusnost je smanjena. Ovu selektivnost određuje selektivni filter – najuža točka pore kanala. Filter osim svojih uskih dimenzija može imati i lokalni električni naboj. Na primjer, kationski selektivni kanali obično imaju negativno nabijene aminokiselinske ostatke u proteinskoj molekuli u području svog selektivnog filtera, koji privlače pozitivne katione i odbijaju negativne anione, sprječavajući ih da prođu kroz pore.
Kontrolirana propusnost je sposobnost IK-a da se otvori ili zatvori pod određenim kontrolnim radnjama na kanalu. Zatvoreni kanal ima smanjenu propusnost, a otvoreni - povećanu. Prema ovom svojstvu, IR se mogu klasificirati ovisno o metodama njihovog otkrivanja: na primjer, potencijalno aktivirani, aktivirani ligandom itd.
Inaktivacija je sposobnost IR-a da, neko vrijeme nakon otvaranja, automatski smanji svoju propusnost čak i ako aktivacijski faktor koji ih je otvorio nastavi djelovati. Brza inaktivacija je poseban proces sa svojim posebnim mehanizmom, koji se razlikuje od sporog zatvaranja kanala (spora inaktivacija). Zatvaranje (spora inaktivacija) kanala događa se zbog procesa suprotnih od procesa koji su osigurali njegovo otvaranje, t.j. promjenom konformacije proteina kanala. No, na primjer, u potencijalno aktiviranim kanalima dolazi do brze inaktivacije uz pomoć posebnog molekularnog "čep-čepa", koji podsjeća na čep na lancu, koji se obično koristi u kupkama. Ovaj čep je aminokiselinska (polipeptidna) petlja sa zadebljanjem na kraju u obliku tri aminokiseline, koja začepljuje unutarnji otvor kanala sa strane citoplazme. Zato naponski ovisni IC za natrij, koji osiguravaju razvoj akcijskog potencijala i kretanje živčanog impulsa, mogu pustiti natrijeve ione u stanicu samo na nekoliko milisekundi, a zatim se automatski zatvaraju svojim molekularnim čepovima, unatoč činjenica da depolarizacija koja ih otvara nastavlja djelovati. Drugi mehanizam inaktivacije IK može biti modifikacija otvora intracelularnog kanala s dodatnim podjedinicama.
Blokiranje je sposobnost IC-a pod utjecajem blokirajućih tvari da popravi jedno od svojih stanja i ne reagira na uobičajene kontrolne utjecaje. U tom stanju, kanal jednostavno prestaje davati odgovore na kontrolne akcije. Blokada je uzrokovana blokatorskim tvarima, koje se mogu nazvati antagonistima, blokatorima ili litičkim agensima. Antagonisti su tvari koje ometaju aktivacijski učinak drugih tvari na IC. Takve se tvari mogu dobro vezati na receptorsko mjesto IC-a, ali nisu u stanju promijeniti stanje kanala, izazvati njegov odgovor. Ispada blokada receptora i, zajedno s njim, blokada IC. Treba imati na umu da antagonisti ne uzrokuju nužno potpunu blokadu receptora i njegovog IC-a, oni mogu djelovati slabije i samo inhibirati (depresirati) kanal, ali ga ne zaustavljaju u potpunosti. Agonisti-antagonisti su tvari koje imaju slabu stimulaciju. učinak na receptor, ali istovremeno blokira djelovanje prirodnih endogenih kontrolnih supstanci. Blokatori su tvari koje ometaju rad ionskog kanala, na primjer, interakciju posrednika s molekularnim receptorom za njega i, stoga, remete kontrolu kanala, blokirajući ga. Na primjer, djelovanje acetilkolina blokirano je antikolinergicima; norepinefrin s adrenalinom - adrenergički blokatori; histamin – blokatori histamina itd. Mnogi blokatori se koriste u terapeutske svrhe kao lijekovi. Litički su isti blokatori, pojam je stariji i koristi se kao sinonim za blokator: antikolinergik, adrenolitik itd.
Plastičnost je sposobnost IR-a da mijenja svoja svojstva, svoje karakteristike. Najčešći mehanizam koji osigurava plastičnost je fosforilacija aminokiselina kanalnih proteina s unutarnje strane membrane enzimima protein kinaze. Ostaci fosfora iz ATP-a ili GTP-a vezani su za proteine kanala, a kanal mijenja svoja svojstva. Na primjer, fiksiran je u trajno zatvorenom stanju ili, obrnuto, u otvorenom stanju.
Svi kanali prisutni u živim tkivima, a sada znamo nekoliko stotina vrsta kanala, mogu se podijeliti u dvije glavne vrste. Prva vrsta je kanali za odmor, koji se spontano otvaraju i zatvaraju bez ikakvih vanjskih utjecaja. Važni su za stvaranje potencijala membrane u mirovanju. Druga vrsta je tzv ulazni kanali, ili portalski kanali(od riječi "vrata") . U mirovanju su ti kanali zatvoreni i mogu se otvoriti pod utjecajem određenih podražaja. Neke vrste takvih kanala sudjeluju u stvaranju akcijskih potencijala.
Većinu ionskih kanala karakterizira selektivnost(selektivnost), odnosno samo određeni ioni prolaze kroz određenu vrstu kanala. Na temelju toga razlikuju se natrijevi, kalijevi, kalcijevi, klorni kanali. Selektivnost kanala određena je veličinom pora, veličinom iona i njegove hidratacijske ljuske, nabojem iona i nabojem unutarnje površine kanala. Međutim, postoje i neselektivni kanali koji mogu proći dvije vrste iona odjednom: na primjer, kalij i natrij. Postoje kanali kroz koje mogu proći svi ioni, pa čak i veće molekule.
Postoji klasifikacija ionskih kanala prema metoda aktivacije(slika 9). Neki kanali specifično reagiraju na fizičke promjene u staničnoj membrani neurona. Najistaknutiji predstavnici ove skupine su potencijalno aktivirani kanali... Primjeri su natrijevi, kalijevi i kalcijevi ionski kanali koji su osjetljivi na potencijal na membrani, koji su odgovorni za stvaranje akcijskog potencijala. Ti se kanali otvaraju pri određenom potencijalu preko membrane. Dakle, natrijevi i kalijevi kanali se otvaraju pri potencijalu od oko -60 mV (unutarnja površina membrane je negativno nabijena u odnosu na vanjsku). Kalcijevi kanali se otvaraju pri potencijalu od -30 mV. Skupina kanala aktiviranih fizičkim promjenama uključuje
Slika 9. Metode aktiviranja ionskih kanala
(A) Ionski kanali aktivirani promjenama membranskog potencijala ili istezanjem membrane. (B) Ionski kanali aktivirani kemijskim agensima (ligandi) s izvanstanične ili intracelularne strane.
također mehanički osjetljivi kanali koji reagiraju na mehanički stres (istezanje ili deformacija stanične membrane). Ionski kanali druge skupine otvaraju se kada kemikalije aktiviraju posebne centre za vezanje receptora na molekuli kanala. Takav ligand-aktivirani kanali podijeljeni su u dvije podskupine, ovisno o tome jesu li njihovi receptorski centri intracelularni ili izvanstanični. Zovu se i kanali aktivirani ligandom koji reagiraju na izvanstanične podražaje jonotropni receptori. Takvi su kanali osjetljivi na posrednike i najizravnije su uključeni u prijenos informacija u sinaptičkim strukturama. Ligandom aktivirani kanali koji se aktiviraju s citoplazmatske strane uključuju kanale koji su osjetljivi na promjene koncentracije specifičnih iona. Na primjer, kalijevi kanali aktivirani kalcijem aktiviraju se lokalnim povećanjem unutarstanične koncentracije kalcija. Takvi kanali igraju važnu ulogu u repolarizaciji stanične membrane tijekom završetka akcijskog potencijala. Osim kalcijevih iona, ciklički nukleotidi su tipični predstavnici intracelularnih liganada. Ciklični GMF, na primjer, odgovoran je za aktivaciju natrijevih kanala u retinalnim šipkama. Ova vrsta kanala igra temeljnu ulogu u radu vizualnog analizatora. Fosforilacija/defosforilacija određenih dijelova njegove proteinske molekule pod djelovanjem intracelularnih enzima – protein kinaza i protein fosfataza – zasebna je vrsta modulacije kanala vezanjem unutarstaničnih liganda.
Prikazana klasifikacija kanala prema načinu aktivacije uvelike je proizvoljna. Neki ionski kanali mogu se aktivirati samo s nekoliko tretmana. Na primjer, kalcijem aktivirani kalijevi kanali također su osjetljivi na potencijalne promjene, a neki ionski kanali aktivirani naponom osjetljivi su na unutarstanične ligande.
Prema suvremenim konceptima, biološke membrane čine vanjsku membranu svih životinjskih stanica i tvore brojne unutarstanične organele. Najkarakterističnija strukturna značajka je da membrane uvijek tvore zatvorene prostore, a ova mikrostrukturna organizacija membrana omogućuje im da obavljaju kritične funkcije.
Struktura i funkcija staničnih membrana.
1. Funkcija barijere izražava se u tome što membrana uz pomoć odgovarajućih mehanizama sudjeluje u stvaranju koncentracijskih gradijenta, sprječavajući slobodnu difuziju. U tom slučaju membrana sudjeluje u mehanizmima elektrogeneze. To uključuje mehanizme za stvaranje potencijala mirovanja, stvaranje akcijskog potencijala, mehanizme za širenje bioelektričnih impulsa duž homogenih i nehomogenih ekscitabilnih struktura.
2. Regulatorna funkcija stanične membrane sastoji se u finoj regulaciji unutarstaničnog sadržaja i unutarstaničnih reakcija zbog primanja izvanstaničnih biološki aktivnih tvari, što dovodi do promjene aktivnosti membranskih enzimskih sustava i pokretanja mehanizama sekundarni “glasnici” (“posrednici”).
3. Transformacija vanjskih podražaja neelektrične prirode u električne signale (u receptorima).
4. Oslobađanje neurotransmitera u sinaptičkim završecima.
Debljina staničnih membrana (6-12 nm) određena je suvremenim metodama elektronske mikroskopije. Kemijska analiza pokazala je da se membrane uglavnom sastoje od lipida i proteina čija količina nije ista za različite tipove stanica. Teškoća proučavanja molekularnih mehanizama funkcioniranja staničnih membrana posljedica je činjenice da se tijekom izolacije i pročišćavanja staničnih membrana poremeti njihovo normalno funkcioniranje. Trenutno se može govoriti o nekoliko tipova modela stanične membrane, među kojima je najrašireniji tekući-mozaični model.
Prema ovom modelu, membrana je predstavljena dvoslojem fosfolipidnih molekula orijentiranih na način da su hidrofobni krajevi molekula unutar dvosloja, dok su hidrofilni krajevi usmjereni prema vodenoj fazi. Ova struktura je idealna za formiranje razdvajanja dviju faza: ekstra- i intracelularne.
U fosfolipidnom dvosloju integrirani su globularni proteini čija polarna područja tvore hidrofilnu površinu u vodenoj fazi. Ovi integrirani proteini obavljaju različite funkcije, uključujući receptorske, enzimske, formiraju ionske kanale, membranske su pumpe i prijenosnici iona i molekula.
Neke proteinske molekule slobodno difundiraju u ravnini lipidnog sloja; u normalnom stanju, dijelovi proteinskih molekula koji se pojavljuju na suprotnim stranama stanične membrane ne mijenjaju svoj položaj.
Električne karakteristike membrane:
Kapacitivna svojstva uglavnom su određena fosfolipidnim dvoslojem, koji je nepropusn za hidratizirane ione, a istovremeno dovoljno tanak (oko 5 nm) da osigura učinkovito odvajanje i akumulaciju naboja te elektrostatičku interakciju kationa i aniona. Osim toga, kapacitivna svojstva staničnih membrana jedan su od razloga koji određuju vremenske karakteristike električnih procesa koji se odvijaju na staničnim membranama.
Vodljivost (g) je recipročna vrijednost električnog otpora i jednaka je omjeru ukupne transmembranske struje za dati ion i vrijednosti koja je uzrokovala njegovu transmembransku potencijalnu razliku.
Kroz fosfolipidni dvosloj mogu difundirati različite tvari, a stupanj permeabilnosti (P), odnosno sposobnosti stanične membrane da te tvari propušta, ovisi o razlici u koncentraciji difuzijske tvari s obje strane membrane, njezinoj topljivost u lipidima i svojstva stanične membrane.
Vodljivost membrane je mjera njezine ionske propusnosti. Povećanje vodljivosti ukazuje na povećanje broja iona koji prolaze kroz membranu.
Struktura i funkcija ionskih kanala... Ioni Na +, K +, Ca2 +, Cl- prodiru u stanicu i izlaze van kroz posebne kanale ispunjene tekućinom. Veličina kanala je prilično mala.
Svi ionski kanali klasificirani su u sljedeće skupine:
- Po selektivnosti:
a) Selektivna, t.j. specifično. Ovi kanali su propusni za strogo definirane ione.
b) Nisko selektivni, nespecifični, bez određene ionske selektivnosti. U membrani ih je malo.
- Po prirodi propuštenih iona:
a) kalij
b) natrij
c) kalcij
d) klor
- Po stopi inaktivacije, t.j. zatvaranje:
a) brzo inaktivirajuće, t.j. brzo prelazi u zatvoreno stanje. Oni osiguravaju brzo rastuće smanjenje MF i jednako brz oporavak.
b) sporo kretanje. Njihovo otvaranje uzrokuje polagano smanjenje MP i njegov spor oporavak.
4. Mehanizmima za otvaranje:
a) potencijalno ovisni, t.j. one koje se otvaraju na određenoj razini membranskog potencijala.
b) kemoovisni, koji se otvaraju kada su kemoreceptori stanične membrane izloženi fiziološki aktivnim tvarima (neurotransmiteri, hormoni itd.).
Sada je utvrđeno da ionski kanali imaju sljedeću strukturu:
1. Selektivni filter koji se nalazi na ušću kanala. Osigurava prolaz strogo definiranih iona kroz kanal.
2. Aktivacijska vrata koja se otvaraju na određenoj razini membranskog potencijala ili djelovanjem odgovarajućeg PAV-a. Aktivacijska vrata naponski ovisnih kanala imaju senzor koji ih otvara na određenoj razini MP.
3. Inaktivacijska vrata, koja osiguravaju zatvaranje kanala i prekid provođenja iona kroz kanal na određenoj razini MF (Sl.).
Nespecifični ionski kanali nemaju vrata.
Selektivni ionski kanali mogu biti u tri stanja, koja su određena položajem aktivacijskih (m) i inaktivacijskih (h) vrata:
1.Zatvoreno, kada je aktivacija zatvorena, a deaktivacija otvorena.
2. Kada se aktivira, oba su vrata otvorena.
3. Deaktivirano, aktivacijski ulaz je otvoren, a inaktivacijski je zatvoren
Funkcije ionskog kanala:
1. Kalij (u mirovanju) - stvaranje potencijala mirovanja
2. Natrij - stvaranje akcijskog potencijala
3. Kalcij – sporo djelovanje
4. Kalij (odgođena rektifikacija) – osigurava repolarizaciju
5. Kalij aktiviran kalcijem - ograničava depolarizaciju zbog struje Ca + 2
Funkcija ionskih kanala proučava se na različite načine. Najčešća je metoda naponske stezaljke. Bit metode leži u činjenici da se uz pomoć posebnih elektroničkih sustava tijekom eksperimenta membranski potencijal mijenja i fiksira na određenoj razini. U tom slučaju se mjeri vrijednost ionske struje koja teče kroz membranu. Ako je razlika potencijala konstantna, tada je, u skladu s Ohmovim zakonom, struja proporcionalna vodljivosti ionskih kanala. Kao odgovor na stupnjevitu depolarizaciju, otvaraju se određeni kanali, odgovarajući ioni ulaze u stanicu po elektrokemijskom gradijentu, odnosno nastaje ionska struja koja depolarizira stanicu. Ova promjena se registruje pomoću kontrolnog pojačala i kroz membranu se propušta električna struja, jednaka po veličini, ali suprotnog smjera od membranske ionske struje. U tom se slučaju razlika transmembranskog potencijala ne mijenja.
Proučavanje funkcije pojedinih kanala moguće je metodom lokalnog stezanja potencijala "path-clamp". Staklena mikroelektroda (mikropipeta) se napuni fiziološkom otopinom, pritisne na površinu membrane i nanese blagi vakuum. U tom slučaju dio membrane je usisan u mikroelektrodu. Ako se u zoni usisavanja pojavi ionski kanal, bilježi se aktivnost jednog kanala. Sustav stimulacije i registracije aktivnosti kanala malo se razlikuje od sustava fiksacije napona.
Struja kroz jedan ionski kanal ima pravokutni oblik i jednaka je po amplitudi za različite vrste kanala. Trajanje boravka kanala u otvorenom stanju ima vjerojatnostni karakter, ali ovisi o vrijednosti membranskog potencijala. Ukupna ionska struja određena je vjerojatnošću da bude u otvorenom stanju u svakom određenom vremenskom razdoblju za određeni broj kanala.
Vanjski dio kanala je relativno pristupačan za proučavanje, a proučavanje unutarnjeg dijela predstavlja značajne poteškoće. P. G. Kostyuk razvio je metodu intracelularne dijalize, koja omogućuje proučavanje funkcije ulaznih i izlaznih struktura ionskih kanala bez upotrebe mikroelektroda. Pokazalo se da se dio ionskog kanala otvoren u izvanstanični prostor po svojim funkcionalnim svojstvima razlikuje od dijela kanala koji je okrenut prema unutarstaničnom okruženju.
Upravo ionski kanali osiguravaju dva važna svojstva membrane: selektivnost i vodljivost.
Selektivnost, ili selektivnost, kanala osigurava njegova posebna struktura proteina. Većina kanala je električno kontrolirana, odnosno njihova sposobnost provođenja iona ovisi o vrijednosti membranskog potencijala. Kanal je po svojim funkcionalnim karakteristikama heterogen, posebno za proteinske strukture koje se nalaze na ulazu u kanal i na njegovom izlazu (tzv. mehanizmi vrata).
Razmotrimo princip rada ionskih kanala na primjeru natrijevog kanala. Vjeruje se da je natrijev kanal zatvoren u mirovanju. Kada se stanična membrana depolarizira do određene razine, otvaraju se m-aktivacijska vrata (aktivacija) i povećava se protok Na + iona u stanicu. Nekoliko milisekundi nakon otvaranja m-vrata, h-vrata koja se nalaze na izlazu iz natrijevih kanala zatvaraju se (inaktivacija). Inaktivacija se u staničnoj membrani razvija vrlo brzo, a stupanj inaktivacije ovisi o veličini i trajanju depolarizirajućeg podražaja.
Kada se u debelom živčanom vlaknu generira jedan akcijski potencijal, promjena koncentracije Na + iona u unutarnjem okruženju iznosi samo 1/100 000 unutarnjeg sadržaja Na iona u aksonu divovske lignje.
Osim natrija, u stanične membrane ugrađene su i druge vrste kanala koji su selektivno propusni za pojedine ione: K+, Ca2+, a za te ione postoje različite vrste kanala.
Hodgkin i Huxley formulirali su princip "nezavisnosti" kanala, prema kojem su tokovi natrija i kalija kroz membranu neovisni jedan o drugom.
Svojstvo vodljivosti različitih kanala nije isto. Konkretno, za kalijeve kanale, proces inaktivacije ne postoji, kao za natrijeve kanale. Postoje posebni kalijevi kanali koji se aktiviraju povećanjem unutarstanične koncentracije kalcija i depolarizacijom stanične membrane. Aktivacija kanala ovisnih o kaliju i kalciju ubrzava repolarizaciju, čime se vraća početna vrijednost potencijala mirovanja.
Posebno su zanimljivi kalcijevi kanali. Dolazna kalcijeva struja obično nije dovoljno velika da normalno depolarizira staničnu membranu. Najčešće, kalcij koji ulazi u stanicu djeluje kao "glasnik" ili sekundarni posrednik. Aktivacija kalcijevih kanala osigurava se depolarizacijom stanične membrane, na primjer, dolaznom natrijevom strujom.
Proces inaktivacije kalcijevih kanala prilično je kompliciran. S jedne strane, povećanje unutarstanične koncentracije slobodnog kalcija dovodi do inaktivacije kalcijevih kanala. S druge strane, proteini citoplazme stanica vežu kalcij, što omogućuje održavanje stabilne vrijednosti struje kalcija dugo vremena, iako na niskoj razini; u ovom slučaju natrijeva struja je potpuno potisnuta. Kalcijevi kanali igraju bitnu ulogu u srčanim stanicama. O elektrogenezi kardiomiocita govori se u poglavlju 7. Elektrofiziološke karakteristike staničnih membrana istražuju se posebnim metodama.
Struktura i funkcija ionskih kanala. Ioni Na +, K +, Ca 2+, Cl - prodiru u stanicu i izlaze kroz posebne kanale ispunjene tekućinom. Veličina kanala je prilično mala (promjer 0,5-0,7 nm). Proračuni pokazuju da ukupna površina kanala zauzima neznatan dio površine stanične membrane.
Funkcija ionskih kanala proučava se na različite načine. Najčešća je metoda naponske stezaljke (slika 2.2). Bit metode leži u činjenici da se uz pomoć posebnih elektroničkih sustava tijekom eksperimenta membranski potencijal mijenja i fiksira na određenoj razini. U tom slučaju se mjeri vrijednost ionske struje koja teče kroz membranu. Ako je razlika potencijala konstantna, tada je, u skladu s Ohmovim zakonom, struja proporcionalna vodljivosti ionskih kanala. Kao odgovor na stupnjevitu depolarizaciju, otvaraju se određeni kanali, odgovarajući ioni ulaze u stanicu po elektrokemijskom gradijentu, odnosno nastaje ionska struja koja depolarizira stanicu. Ova promjena se registruje pomoću kontrolnog pojačala i kroz membranu se propušta električna struja, jednaka po veličini, ali suprotnog smjera od membranske ionske struje. U tom se slučaju razlika transmembranskog potencijala ne mijenja. Kombinirana uporaba metode stezanja potencijala i specifičnih blokatora ionskih kanala dovela je do otvaranja različitih vrsta ionskih kanala u staničnoj membrani.
Trenutno su uspostavljene mnoge vrste kanala za različite ione (tablica 2.1). Neki od njih su vrlo specifični, drugi, osim glavnog iona, mogu proći i druge ione.
Proučavanje funkcije pojedinih kanala moguće je metodom lokalnog stezanja potencijala "path-clamp"; riža. 2.3, A). Staklena mikroelektroda (mikropipeta) se napuni fiziološkom otopinom, pritisne na površinu membrane i nanese blagi vakuum. U tom slučaju dio membrane je usisan u mikroelektrodu. Ako se u zoni usisavanja pojavi ionski kanal, bilježi se aktivnost jednog kanala. Sustav stimulacije i registracije aktivnosti kanala malo se razlikuje od sustava fiksacije napona.
Tablica 2.1. Najvažniji ionski kanali i ionske struje ekscitabilnih stanica
Bilješka.ČAJ - tetraetilamonij; TTX - tetrodotoksin.
Vanjski dio kanala je relativno pristupačan za proučavanje, a proučavanje unutarnjeg dijela predstavlja značajne poteškoće. P. G. Kostyuk razvio je metodu intracelularne dijalize, koja omogućuje proučavanje funkcije ulaznih i izlaznih struktura ionskih kanala bez upotrebe mikroelektroda. Pokazalo se da se dio ionskog kanala otvoren u izvanstanični prostor po svojim funkcionalnim svojstvima razlikuje od dijela kanala koji je okrenut prema unutarstaničnom okruženju.
Upravo ionski kanali osiguravaju dva važna svojstva membrane: selektivnost i vodljivost.
selektivnost, ili selektivnost, kanal osigurava njegova posebna proteinska struktura. Većina kanala je električno kontrolirana, odnosno njihova sposobnost provođenja iona ovisi o vrijednosti membranskog potencijala. Kanal je po svojim funkcionalnim karakteristikama heterogen, posebno za proteinske strukture koje se nalaze na ulazu u kanal i na njegovom izlazu (tzv. mehanizmi vrata).
5. Koncept ekscitabilnosti. Parametri ekscitabilnosti neuromuskularnog sustava: prag iritacije (reobaza), korisno vrijeme (kronaksija). Ovisnost jačine iritacije o vremenu njezina djelovanja (Goorweg-Weissova krivulja). Upornost.
Razdražljivost- sposobnost stanice da na stimulaciju odgovori stvaranjem AP i specifičnom reakcijom.
1) faza lokalnog odgovora - djelomična depolarizacija membrane (ulazak Na + u stanicu). Ako primijenite mali iritant, onda je odgovor jači.
Lokalna depolarizacija je faza egzaltacije.
2) faza apsolutne refraktornosti - svojstvo ekscitabilnog tkiva da ne stvara PD za bilo koji podražaj bilo koje snage
3) faza relativne refraktornosti.
4) faza spore repolarizacije - iritacija - opet snažan odgovor
5) faza hiperpolarizacije - manja ekscitabilnost (subnormalna), podražaj bi trebao biti velik.
Funkcionalna labilnost- procjena ekscitabilnosti tkiva kroz maksimalno mogući broj AP u jedinici vremena.
Zakoni uzbude:
1) zakon sile – sila podražaja mora biti praga ili iznad praga (minimalna vrijednost sile koja izaziva uzbuđenje). Što je podražaj jači, to je jače uzbuđenje – samo za asocijacije tkiva (živčani trup, mišić, s izuzetkom SMC).
2) zakon vremena – za nastanak uzbuđenja trebao bi biti dovoljan podražaj dugog djelovanja.
Odnos između sile i vremena obrnuto je proporcionalan između minimalnog vremena i minimalne sile. Minimalna sila - reobaza - je sila koja izaziva uzbuđenje i ne ovisi o trajanju. Minimalno vrijeme je dobro vrijeme. Kronaksija je ekscitabilnost određenog tkiva, vrijeme u kojem se javlja uzbuđenje jednako je dvije reobaze.
Što je veća snaga, to je veći odgovor na određenu vrijednost.
Čimbenici koji stvaraju MSP:
1) razlika u koncentraciji natrija i kalija
2) različita propusnost za natrij i kalij
3) rad Na-K pumpe (3 Na + se uklanja, 2 K + se vraća).
Odnos između jačine podražaja i trajanja njegovog utjecaja, potrebnog za nastanak minimalnog odgovora žive strukture, može se vrlo dobro pratiti na tzv. krivulji sila-vrijeme (krivulja Goorweg-Weiss-Lapik). .
Iz analize krivulje proizlazi da, koliko god bila velika snaga podražaja, ako je trajanje njegovog djelovanja nedovoljno, odgovora neće biti (pokazuje lijevo od uzlazne grane hiperbole). Sličan se fenomen opaža kod produljenog djelovanja podpražnih podražaja. Minimalna struja (ili napon) koja može izazvati pobuđivanje naziva se Lapikova reobaza (odsječak ordinate OA). Najmanji vremenski interval tijekom kojeg struja jednake jačini udvostručenoj reobazi izaziva ekscitaciju u tkivu naziva se kronaksija (segment apscise OF), što je pokazatelj praga trajanja stimulacije. Kronaksija se mjeri u δ (tisućinki sekunde). Po veličini kronaksije može se suditi o brzini početka ekscitacije u tkivu: što je kronaksija manja, to brže nastaje uzbuđenje. Kronaksija ljudskih živčanih i mišićnih vlakana jednaka je tisućinkama i desettisućinkama sekunde, a kronaksija takozvanih sporih tkiva, na primjer, mišićnih vlakana žabljeg želuca, jednaka je stotinkama sekunde.
Određivanje kronaksije ekscitabilnih tkiva postalo je rašireno ne samo u eksperimentu, već iu fiziologiji sporta, u klinici. Konkretno, mjerenjem kronaksije mišića, neurolog može ustanoviti prisutnost oštećenja motoričkih živaca. Treba napomenuti da podražaj može biti dovoljno jak, imati granično trajanje, ali nisku stopu povećanja vremena do vrijednosti praga; ekscitacija u ovom slučaju ne nastaje. Prilagodba ekscitabilnog tkiva na polagano rastući podražaj naziva se akomodacija. Smještaj je zbog činjenice da tijekom povećanja snage podražaja u tkivu, aktivne promjene imaju vremena za razvoj, povećavajući prag iritacije i sprječavajući razvoj uzbuđenja. Dakle, brzina povećanja stimulacije tijekom vremena, ili gradijent stimulacije, bitan je za početak uzbuđenja.
Zakon gradijenta iritacije. Reakcija živog bića na podražaj ovisi o gradijentu podražaja, tj. o hitnosti ili strmini rasta podražaja u vremenu: što je gradijent podražaja veći, to je jači (do određenih granica) odgovor uzbudljiva formacija.
Posljedično, zakoni iritacije odražavaju složen odnos između podražaja i ekscitabilne strukture tijekom njihove interakcije. Da bi došlo do ekscitacije, podražaj mora imati graničnu snagu, imati prag trajanja i imati određenu brzinu povećanja u vremenu.
6. Ionske pumpe (ATP-aze): K + -Na +, Ca2 + (plazmolema i sarkoplazmatski retikulum), H + –K + -izmjenjivač.
Prema suvremenim konceptima, biološke membrane imaju ionske pumpe koje rade na račun slobodne energije hidrolize ATP-a - posebne sustave integralnih proteina (transportnih ATPaza).
Trenutno postoje tri vrste elektrogenih ionskih pumpi koje aktivno prenose ione preko membrane (slika 13.).
Prijenos iona transportnim ATPazama nastaje zbog konjugacije procesa prijenosa s kemijskim reakcijama, zbog energije metabolizma stanice.
Tijekom rada K + -Na + -ATPaze, zbog energije koja se oslobađa tijekom hidrolize svake molekule ATP-a, dva iona kalija se prenose u stanicu i istovremeno se iz stanice ispumpaju tri iona natrija. Tako se stvara povećana koncentracija kalijevih iona u stanici i smanjena koncentracija natrija u stanici u usporedbi s međustaničnim okruženjem, što je od velike fiziološke važnosti.
Znakovi "bionpumpe":
1. Kretanje protiv gradijenta elektrokemijskog potencijala.
2. Protok tvari povezan je s hidrolizom ATP-a (ili drugog izvora energije).
3. asimetrija transportnog vozila.
4. In vitro pumpa je sposobna hidrolizirati ATP samo u prisutnosti onih iona koje nosi in vivo.
5. Kada je crpka ugrađena u umjetno okruženje, u stanju je održati selektivnost.
Molekularni mehanizam djelovanja ionskih ATPaza nije u potpunosti shvaćen. Ipak, glavne faze ovog složenog enzimskog procesa mogu se pratiti. U slučaju K + -Na + -ATPaze, postoji sedam stupnjeva prijenosa iona povezanih s hidrolizom ATP-a.
Dijagram pokazuje da su ključne faze enzima:
1) stvaranje kompleksa enzima s ATP-om na unutarnjoj površini membrane (tu reakciju aktiviraju magnezijevi ioni);
2) vezanje kompleksom od tri natrijeva iona;
3) fosforilacija enzima s stvaranjem adenozin difosfata;
4) flip-flop (flip-flop) enzima unutar membrane;
5) reakcija ionske izmjene natrija za kalij, koja se odvija na vanjskoj površini membrane;
6) obrnuto okretanje enzimskog kompleksa s prijenosom kalijevih iona u stanicu;
7) povratak enzima u prvobitno stanje uz oslobađanje kalijevih iona i anorganskog fosfata (P).
Tako se tijekom punog ciklusa iz stanice oslobađaju tri natrijeva iona, citoplazma se obogaćuje s dva iona kalija, a hidrolizira se jedna molekula ATP-a.
Kanali ovisni o ligandu su ionski kanali smješteni u postsinaptičkoj membrani na neuromuskularnim spojevima. Vezanje medijatora na te kanale s vanjske strane membrane uzrokuje promjene u njihovoj konformaciji – kanali se otvaraju, prolazeći ione kroz membranu i time mijenjajući membranski potencijal. Za razliku od kanala ovisnih o naponu, koji su odgovorni za nastanak akcijskog potencijala i oslobađanje medijatora, kanali ovisni o ligandu relativno su neosjetljivi na promjene membranskog potencijala i stoga nisu sposobni samopojačati pobuđivanje sve ili ništa. Umjesto toga generiraju električni signal čija snaga ovisi o intenzitetu i trajanju vanjskog kemijskog signala, t.j. o tome koliko se medijatora izluči u sinaptički rascjep i koliko dugo tamo ostaje.
Receptori povezani s kanalima specifični su, poput enzima, samo u odnosu na određene ligande i stoga odgovaraju na djelovanje samo jednog medijatora – onog koji se oslobađa iz presinaptičkog terminala; ostali posrednici nemaju učinka.
Različite vrste kanala karakteriziraju različita ionska specifičnost: neki mogu selektivno propuštati natrijeve ione, drugi - kalij, itd., mogu postojati i oni koji nisu baš selektivni u odnosu na razne katione, ali ne propuštaju anione. Međutim, ionska specifičnost je konstantna za danu postsinaptičku membranu: obično svi kanali u sinapsi imaju istu selektivnost.
Od svih ionskih kanala ovisnih o ligandu, nikotinski acetilkolinski receptor je najviše proučavan.
Poznate su mnoge druge vrste MK, koje se aktiviraju raznim medijatorima (serotonin, glicin, gama-aminomaslačna kiselina - GABA, itd.), a sve ove glavne vrste MK dijele se na mnoge podtipove. Što se tiče senzornih sustava, najvažniji MC koji se nalaze u olfaktornim i fotoreceptornim stanicama osjetljivi su na cikličke nukleotide (CNS). Opisat će se struktura kanala CNZ-portala. Za razliku od n-AChP kanala, protein podjedinice tvori 6 transmembranskih segmenata, a cijeli kanal se sastoji od četiri podjedinice.
