Лекции 10-11. Биофизика возбудимой клетки

Мембранный потенциал и потенциал действия
Мембранный потенциал нервной клетки
А.Пассивный (электротонический):
1.Характеристика мембраны: V=IR(1‐e –t/RC); 2. кабельные свойства мембраны: V(x)= Voe‐x/
Б. Активный
1.Локальный потенциал
2.Рецепторный потенциал;
3.Постсинаптический потенциал (ВПСП,
ИПСП))
4.Потенциал действия;
5.Следовая гиперполяризаця
6.Следовая деполяризация
Локальный ответ, потенциал действия и следовые потенциалы
Свойства электротонического потенциала и локального потенциала нервной клетки
Свойства
Электротонический
потенциал
Локальный потенциал
Амплитуда
Линейная зависимость от силы тока
Нелинейная зависимость от силы тока
При раздражен
ии участка мембраны
Растет и спадает по экспоненциальной зависимости со скоростью , определяемой ‐RC
Растет по S‐ разной кривой
Свойства локального потенциала и потенциала действия
Свойства
Локальный потенциал
Потенциал действия
Динамика : нарастание сменяется снижением
+
+
Снижение сопротивления мембраны
+
+
снижение возбудимости
рефрактерность
Порог
‐
+
Абсолютная рефрактерность
‐
+
Способность суммироваться +
‐
Правило «все или ничего»
‐
+
Последствия
Ионные токи и воротный механизм канала
Ионные токи
gNa= GNa m3 h; gK = GK n4
GNa ‐максимальная проводимость канала; m‐ вероятность открытого состояния канала; h – вероятность закрытого состояния канала; GK – максимальная проводимость канала; n – вероятность открытого состояния канала
Следовые потенциалы
−
Модель межклеточных взаимодействия
[K]W) ‐ диффузия иона между компартментами экстраклеточной среды; W
Проведение ПД от P‐
нейрона регулируется как внешним сигналом, так и активностью R‐
клетки. Физико‐химические изменения в аксоне при потенциале действия
Физико‐химические свойства мембраны в различные фазы ПД
Физический процесс
Фаза потенциала действия
Возможные изменения мембраны
Положительная теплопродукция, 10‐
12 мккал/г за 25 мсек.
деполяризация
Уменьшение энтропии и увеличение упорядоченности компонентов мембраны
Усиление рассеяния света (под углом 90 о) за мкс
деполяризация
Увеличение вязкости липидов
Уменьшение рассеяния света ( под углом 10‐25 о) за 25 мс
деполяризация
Увеличение гидратированности
мембранных белков
Ослабление интенсивности поляризованного света за 40 мс (увеличение no‐nнo)
деполяризация
Увеличение толщины или ориентированности белков мембраны
Увеличение интенсивности поляризованного света за 2 мс (снижение no‐nнo)
гиперполяризация
Дислокация белков в мембране
Перераспределение зарядов в мембране(воротный ток),0,13 пкА/ мк2
Изменение проводимости мембраны Конформационные изменения: перемещения фиксированных заряженных групп
Физико‐химические свойства аксолеммы
Анализ спектров комбинационного рассеяния белков и липидов
Физико‐химические свойства аксолеммы
Локализация каротиноидов в миелиновом нервном волокне
Изменение конформации каротиноидов в миелиновом нервном волокне
Изменение конформации каротиноидов при активации Са‐ насоса саркоплазматического ретикулума
Физико‐химические свойства аксолеммы
Формирование кластеров в нервном волокне
Церебральный ганглий и нервы пиявки
Механическая
стимуляция
Цефалические нервы
Химическая
стимуляция
Температурная
стимуляция
Изменение амплитуды ПД и мембраносвязаного Са
1 min
Nerve action potentials conduction
I/I0 (CTC)
аксона при термостимуляции
t, min
t, min
Frequency of action potential
conduction during skin thermostimulation
Changes of contents of membrane
bound Ca nerve fiber during skin
thermo-stimulation (red curve)
In all cases – OX is time, min
Contents FAD+
potential of itochondria
membrane potential ,mV
to,C
Membrane bound Са2+
Изменения мембранного потенциала, поверхностного заряда
(мембраносвязанный Са2+ ) и потенциала внутренней мембраны
митохондрии нейрона при стимуляции
А
I/I0 Rh123
I/I0CTC
Изменения состояния нейрона при химической (A) и механической (B)
стимуляции
Content of membrane
bound Са2+
Frequency (imp/min) of
neuron AP conduction
Mitochondria inside membrane potential
50 мV
I/I0 CTC
B
10 s
Frequency (imp/min) of neuron AP
conduction
Barrows and stars - moment of stimulation
Content of membrane
bound Са2+
Вызванная (А) и спонтанная (Б) активность
нейрона (vcp) при при электростимуляции
нейрона (lcp)
Уровень мембраносвязанного Ca2+(A) и вязкости (B) плазматической мнмбраны нейрона при действии
серотонина ( 5-НТ ((10-4 M (1) and 10-3M (2)), отмывка (3).
A
B
интенсивность флуоресценции, отн. ед.
интенсивность флуоресценции, отн. ед.
2
1,3
1,3
1,1
1,1
0,9
0,9
0,5
20
30
40
время ,мин
50
1
60
0,5
5 10
time, min
Barrows - moment of stimulation
3
2
0,7
3
5 10
2
1
1
0,7
1
1,5
2
1,5
20
30
40
время ,мин
50
5-НТ
60
3.Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия нервной
клетки
Распределение митохондрий в
нейронах в составе нервного ганглия
пиявки H.medicinalis
Распределение митохондрий в
миелиновом нервном волокне лягушки
R.temporaria
Распределение внутриклеточного Са2+ (A) и
потенциала внутренней мембраны митохондрии (B)
вдоль нейрона (Rz) при действии глютамата
A. [Ca2+] in
Gl
Gl (10-4 M) changes
potential of Mh and it
depend on
localization Mh in a
cell. Apparently, the
given fact is
connected to various
Са 2+ influx in Mh
[Collins, 2001].
B. PIMM
Cell profile, mkm
Действие NO на распределение потенциала внутренней
митохондриальной мембраны по клетке
А. Контроль
Б. 2 мин спермин/NO
А
В. 7 мин спермин/NO
Физико‐химические свойства аксона
Лазерная интерференционная микроскопия миелинового нервного волокна
Физико‐химические свойства аксона при проведении серии потенциалов действия
Аксон-Шванновская клетка
взаимодействия
internode
juxtaparanode
paranode
node
б
106
1,10
ТЭА
104
1,08
102
*
1,06
100
*
в
Контроль
ТЭА
*
140
120
T2, %
110
1,02
96
100
1,00
94
90
0,98
92
90
-5
0
5
Время,мин
10
15
20
80
0,96
70
0,94
60
0,92
*
130
1,04
98
-10
I1524/I1151, отн. ед.
а
Интенсивность флуоресценции
ХТЦ, %
Динамика изменения уровня Са2+мс , вязкости и гидратированности миелина волокна
при блокировании К‐каналов (ТЭА).
0
1
7
13
Время,мин
19
контроль
ТЭА, 10(-2)М
Схематическое изображение безмиелинового (А) и миелинового (Б) нервного волокна
а
цитоплазма
мезаксон
осевой цилиндр
насечка
перехват
МПС
цитоплазма
миелин
осевой цилиндр
б
Фазовое изображение миелинового нервного волокна
Сечение (верхний ряд), соотношение различных компонентов (средний ряд) и сечение фазового изображения (нижний ряд) различных участков нервного волокна. Коричневым отражается мембрана, серым цитоплазма, белым окружающая среда безмиелиновое
волокно
миелиновое волокно
насечка
перехват
МПС
Типичное изображение немиелинового нервного волокна. Световое изображение (а), трехмерное фазовое изображение (б), фазовое изображение нервного волокна (в), профиль фазового изображения волокна
50
OPD, nm
40
30
20
10
10 m
0
0
10
20
width, m
30
Изображение миелинового нервного волокна
насечка
9
11
5
3
12
10
7
2
1
4
6
8
II
III
I
III
Продольное сечение миелинового нервного волокна
incisure of neurilemma
200
OPD, nm
150
100
50
Ranvier's node
0
0
20
40
length, m
60
80
1
2
Флуоресцентная фотография
миелинового нервного волокна
Митохондрии максимально распределены в аксоплазме под
насечками (2), чем под компактным миелином (1)
Juxtaparanode
Амплитуда колебаний, nm
Амплитуда колебаний, nm
Протеолиз влияет на динамику изменения
фазовой высоты нерва
Частота колебания фазовой высоты, Гц
Частота колебания фазовой высоты, Гц
Амплитуда колебаний, nm
Амплитуда колебаний, nm
Частота колебания фазовой высоты, Гц
Paranode
Частота колебания фазовой высоты, Гц
Протеолиз вызывает изменения в динамике изменения
фазовой высоты в юкстапаранодальной и
паранодальной областях нервного волокна
Действие протеолиза на возбудимость
нерва и микровязкость аксолеммы
ко н т р о л ь
П роназа E
1 ,4
1 ,2
1 ,0
0 ,8
0 ,6
0 ,4
0 ,2
Контроль
Проназа Е
*
1,12
I1524/I1151, отн. ед.
Значение величины, усл.ед.
1 ,6
1,10
*
1,08
1,06
1,04
1,02
1,00
0,98
0,96
0
2
4
6
8
10
12
14
Время, мин
0 ,0
А м п л и т уд а П Д
С ко ро сть п р о в е д е н ия П Д
Протеолиз вызывает измения амплитуды ПД
и скорости проведения ПД
Протеолиз приводит к увеличению
микровязкости аксолеммы
Изменение возбудимости миелинового волокна при действии пХМБ
контроль
пХМБ
110
1,2
б
а
115
пХМ Б
105
Амплитуда ПД, отн. ед.
а
Интенсивность флуоресценции ХТЦ, %
1,3
100
95
90
85
80
75
-5
0
5
10
0
0,8
0,7
*
0,6
0,5
0,4
20
40
60
Время, мин
*
г
контроль
*
0,9
0
пХМБ, 10(-4) М
40 мин
Скорость проведения, отн.ед.
T 2, %
в
1,0
0,3
15
Врем я, м ин
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
1,1
1,25
*
контроль
пХМБ
1,20
1,15
1,10
1,05
1,00
0,95
0,90
0,85
0
10
20
30
Время, мин
40
50
60
Изменения диаметра МНВ, ОРХ аксона и микровилли (МВ), длины ПР) (а) и области компактного миелина (диаметра МНВ, диаметра аксона, ОРХ миелина и аксона) (б) при действии проназы Е, пХМБ и ТЭА. контроль
пХМБ
проназа
ТЭА
3,5
3,0
2,5
2,0
1,0
*
0,5
*
0,0
диаметр
МНВ
ОРХ аксона
компактный миелин
*
перехват Ранвье
ОРХ МВ
1,4
Значение параметра, отн. ед.
Значение параметра, отн. ед.
4,0
длина
1,2
контроль
пХМБ
проназа
ТЭА
*
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
диаметр
МНВ
диаметр
аксона
ОРХ
миелина
ОРХ аксона
Лазерная интерференционная микроскопия
Dynamics of regular changes neuron cytoplasm optics properties
Regular changes of molecular
and cellular processes
out cell
inside cell
Complex reorganization of a plasma
membrane
0,1 -2Hz
Activity of potential - dependent Са 2+ channal
0,2-0,4 Hz
Spontaneous rhythmic activity of Rz-cell
0,2 Hz
Rhythmic activity of Rz-cell at a stimulation
0,4 - 0,5 Hz
Subthreshold changes of membrane potential
0,8-1,0 Hz
Changes of a light scattering and volume of
nerve fibril
1-20 Hz
Actin phylaments movements
3 Hz
Vesicles movements
8-40 Hz
((E.L. de Beer, Cell Motil., 1997),
L.B. Kohen, Biophys. J., 1970)
Физико‐химические свойства нейрона при изменении мембранного потенциала и действии нейромедиатора
Действие оксида азота на нейрон (LYMNAEA STAGNALIS)
Fourier-spectrum before (a) and after (b) SNP addition, donor NO
Lens magnification 27x, NA=0,15, wavelength of the laser beam is 532 nm
a
0
5 mkm
10
b
20 mkm
0
5 mkm
10
20 mkm
Динамика оптических свойств
ОРХ
Динамика
Структура
/сложная,
многокомпонентная/
Ритмическая
/Колебания, движения
регулярных структур/
Хаотическая
Вейвлеты
/нестационарные
взаимодействующие
ритмы/
Амплитудная (а) и частотная (б) модуляция
изменения состояния цитоплазмы
миелинового нервного волокна (перехват
Ранвье)
Амплитудная модуляция
Частотная модуляция
Black solid — 0.8 Hz; grey solid — 1.0 Hz; dashed — 1.5Hz
Распределения главных частот амплитудной модуляции
ритма 1 Гц при К+-деполяризации (А)
и действии
валиномицина (Б)
○ Контроль
● KCl (30 ммоль/л)
○ Контроль
● Валиномицин (1 мкмоль/л)
Перераспределение и транспорт кальция в миелиновом нервном волокне
Перераспределение ионов кальция в миелиновом нервном волокне
Роль Шванновской клетки в перераспределении межклеточного кальция
Динамика пассивного и активного транспорта ионов кальция во фракциях нервного волокна
Роль ионов кальция и АТФ в регуляции аккумуляции Са2+ в нерве
Ca‐канал и Na/Ca – обмен в миелиновом нервном волокне
Ca‐канал и Na/Ca – обмен в миелиновом нервном волокне
Транспорт протона в нервной клетке
Патология аксона
Функциональное нарушение
проявления
Травма аксона и нейрона
Регенерация, лизис, рост
Дегенерация аксона нарушения цитоскелета
Демиелинизация
‐дефицит миелина;
‐разрушение миелина;
‐демиелинизация
Диффузное расстройство аксонов
Нарушения аксонов из‐за патологии мозга
Патологическая (повышенная) возбудимость травмированного аксона
‐Спонтанная ритмическая активность нерва;
‐механочувствительность;
‐‐активация натриевый каналов
Патофизиология аксона
свойства
‐Белки цитоскелета и аксональный транспорт;
‐‐ фактор роста и его рецепторы;
‐‐метаболизм липидов, гликолиз, транскрипция РНК;
‐‐ изменения синтеза нейромедиаторов;
‐‐нарушения нейро‐глиальных взаимоотношений;
‐‐межклеточная сигнализация;
‐Нарушения иммунной системы;
‐‐дифтерийный токсин;
‐‐лизолециитин;
‐‐ болезнь Лайма( борелиоз);
‐‐хроническая ДМ (диабет, травма)
‐Роль ионов кальция;
‐‐дифференциация и изменение числа синаптических входов;
‐диагностика электровозбудимости нерва ( амплитуда и скорость проведения ПД);
‐артефакты;
‐‐ тестирование индивидуальных нервов;
Патофизиология нейронов ЦНС
‐рассеянный склероз;
‐нарушения синаптической
передачи;
Миелопатия
‐ Исследование с помощью ЯМР –томографии ( время процесса; изменения морфологии)
Патология ПНС
Нейропатии ( фокальные и мультифокальные);
‐чувствительность;
‐ размеры волокон;
‐‐демиелинизация;
‐‐диагностика;
Болезнь Лайма
Сердце
Суставы
Болезнь Лайма
Кожа
Нервная
система
Демиелинизация
Локализация белка OspA вдоль
нервного волокна
Нервное волокно,
световая микроскопия,
увеличение x60
Локализация OspA
вдоль нервного
волокна,
флуоресцентная
микроскопия, увеличение
x60
Автофлуоресценция,
флуоресцентная
микроскопия,
увеличение x30
Фотография перехвата Ранвье в проходящем свете. а – до инкубации с
ПБ, б – после инкубации с ПБ (Mr9). ПР – перехват Ранвье, МПС –
межперехватный сегмент. Увеличение ×60.
1,3
контроль
OspA
1,2
1,2
Микровязкость, отн.ед.
Значение величины, усл. ед.
OspA влияет на возбудимость нерва и
микровязкость аксолеммы
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,0
Амплитуда ПД
Скорость проведения ПД
Действие OspA уменьшает амплитуду ПД
и скорость проведения ПД
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Контроль
OspA
Действие OspA уменьшает
микровязкость аксолеммы
Мембраносвязанный Ca2+ в нервном
волокне
Локализация
мембраносвязанн
ого Ca2+ вдоль
нервного волокна,
флуоресцентная
микроскопия,
увеличение x60
Интенсивность флуоресценции хлортетрациклина,
усл.ед.
Нервное волокно,
световая микроскопия,
увеличение x60
1,15
1,10
OspA
1,05
Перераспределение
мембраносвязанного
Ca2+ в нервном
волокне после
действия OspA
1,00
0,95
0,90
0,85
0,80
0,75
5
10
15
Время, мин.
20
25
Предполагаемая схема действия OspA
на нерв
Уменьшение скорости проведения ПД
OspA
OspA
Изменение липид-липидных и белок-белковых взаимодействий в миелине приводит
к декомпактизации слоев миелина
OspA
OspA адсорбируется на нервном волокне
Увеличение трансмембранного потенциала аксолеммы
Уменьшение микровязкости
аксолеммы
Уменьшение амплитуды ПД
Перераспределение мембраносвязанного Ca2+ в нерве: часть Ca2 + миелина связывается с аксолеммой
Увеличение трансмембранного потенциала аксолеммы приводит к уменьшению
числа активированных Na+-каналов
Ca2
+
Ca2
+
Адсорбция OspA вызывает
перераспределение
мембраносвязанного Ca2+ в нерве
Na+Ch
Уменьшение числа активированных
Na+-каналов