Физиология возбудимых тканей. Ионные каналы, строение, классификация, способ активации, прикладные аспекты

1. Лекция 1

Физиология возбудимых тканей
Ионные каналы, строение, классификация,
способ активации, прикладные аспекты

2. Кафедра нормальной физиологии КГМУ

Основана в 1805 году
http://kgmu.kcn.ru/physiology

3. Курс нормальной физиологии

Лектор
Нигматуллина Разина
Рамазановна
доктор биологических наук,
профессор

4. История кафедры

5. И.П.Павлов, 1927 год

“…оценивая труды Казанских
физиологов c полным основанием
можно говорить о целой
физиологической школе…”
И.П.Павлов, 1927 год

6.

Ф. В. Овсянников
“Состояние учебных кабинетов и
лабораторий вообще превзошло
мое ожидание...
Физиологический институт, …
оказались в избытке снабженными
инструментами, аппаратами и
другими вспомогательными
средствами для научного
преподавания и для упражнения
учащихся…
Университет может существовать и
постоянно преуспевать своими
собственными средствами, потому
что в нем нет недостатка в дельных
и усердных преподавателях.”
К. Бэр

7.

“Число работ, вышедших из
лаборатории профессора
Миславского чрезвычайно
велико.
В этих работах затронуты большие
существенные вопросы
современной физиологии, и они
в своей совокупности
составляют настоящую
физиологическую библиотеку…”
“В заграничных лабораториях
Миславский не только учился у своих
товарищей и друзей, но и являлся
учителем, демонстрируя опыты и
особенность их постановки в его
Казанской лаборатории.”
Миславский Н.И.
Самойлов А.Ф.

8. Павлов И.П.

“Хорошая привычка физиологически
думать явится драгоценным
пособием к чисто медицинскому
знанию...
Без этой привычки врач будет прямо
жалок около больного.
Я убежден, что только благодаря
частому обмену мнений между
физиологом и врачом цель
физиологической науки и
медицинского искусства будет
быстрейшим и важнейшим образом
достигнута.”
Павлов И.П.

9.

А.Ф. Самойлов

10. Академик АМН СССР В.В. Парин

” Сюда, как паломники в
Мекку съезжались со
всей России физиологи,
чтобы научиться
работать с
Эйнтховенским струнным
гальванометром - святая
святых лаборатории.
То был один из первых
электрокардиографических
аппаратов, казавшийся
тогда чудом техники.”
Академик АМН СССР В.В. Парин

11. Высказывание Самойлова

- … во всех случаях, когда возбуждение переходит от
одной клетки на другую, будь то в синапсе или на
границе между нервным и мышечным волокном, такие
особенности перехода, как одностороннее
проведение, временная задержка, можно объяснить,
если принять, что из двух соприкасающихся клеток
одна приобрела способность вырабатывать
раздражающее вещество, а другая – способность
реагировать на него

12.

“Выводы:
1. В симпатической системе
переход возбуждения с одного
нейрона на другой совершается при
участии химических агентов.
2. Участие химического фактора
обязательно при переходе
возбуждения с одной клетки на
другую и в других частях нервной
системы.
Кибяков А.В.
3. Функциональные свойства
синапса центральной нервной
системы находят себе полное
объяснение при представлении о
гуморальной передаче возбуждения
с одного нейрона на другой.”
Казанский медицинский журнал,
1933.

13.

Классификации физиологии
Определение предмета
физиологии

14.

1. Физиология растений
2. Физиология животных
3. Физиология человека
Классификации физиологии
Нормальная
Патологическая
Клиническая

15.

Физиология
Общая - основные жизненные процессы
Частная - свойства отдельных систем, тканей (сердечно-сосудистой и т.д.)
Прикладная - деятельность в связи со специфическими задачами и
условиями:
Физиология труда
Физиология спорта
Физиология питания
Экологическая физиология
Физиология сельскохозяйственных животных
Авиационная и космическая
Подводная
Возрастная – изучение функций организма в процессе развития
Сравнительная - клетки, органы, системы различных животных
Эволюционная- эволюция функций
Физиология адаптации - функционирование органов, тканей, систем во
взаимодействии с определенными природными факторами в различных
физико-географических зонах.
Физиология клетки

16.

Физиология- это наука о функциях и
процессах, протекающих в
организме или составляющих его
органах, тканях, клетках и
механизмах их регуляции.
- о пределах нормы жизненных
процессов
Основной вопрос физиологии –
почему?

17. Методы физиологии 1. эксперимент (острый и хронический) 2. экстирпация (удаление) 3. трансплантация 4. фистульный 5.

катетеризация
6. денервация
7. раздражение
8. изолированные органы, клетки

18. Физиология возбудимых тканей

19.

Все электрические процессы
клетки разворачиваются на
плазматической (поверхностной )
мембране.

20. Клетка. Основные органеллы

21. Жидкостно-мозаичная модель плазматической мембраны

22.

Основные функции биологических мембран
1. Граница между внутренней и наружной средами
клетки (отличаются физико-химическими показателями).
2. Участие во всех процессах обмена веществ
(ферментные системы, мембрана митохондрий и ЭПР).
3. Место, где протекает большинство биохимических
реакций.
4. Координируют и регулируют физиологические
процессы в клетках.
5. Образование межклеточных контактов
(обеспечивают их адгезию). Адгезия или сцепление
клеток друг с другом обеспечивает существование ткани.

23. Словарь

Возбудимость
–
способность
живых
клеток
воспринимать раздражители и отвечать на
них
возбуждением.
Возбуждение – процесс перехода живой клетки из
состояния
покоя
в
состояние
активности,
сопровождается
возникновением
электрического
сигнала на мембране (потенциал действия, нервный
импульс).
Возбуждение запускает специфическую для каждой
ткани функцию. Возбуждение мембраны мышц
вызывает их сокращение, в нервной системе
возбуждение
мембраны
клетки
вызывает
его
проведение по аксону, в железистой ткани приводит к
секреции.

24.

Раздражитель - фактор внешней или внутренней
среды, который оказывает влияние на возбудимую
клетку и изменяет ее активность
Порог
раздражения
интенсивность
раздражителя,
возбуждение. Чем ниже порог,
возбудимость
минимальная
вызывающая
тем больше
Раздражители классифицируются:
по адекватности (адекватные и неадекватные),
природе (физические, химические)
силе (подпороговые, пороговые и сверхпороговые).

25.

Все ткани организма в зависимости
от клеток, из которых они состоят,
делятся на:
- электровозбудимые,
- хемовозбудимые и
- механовозбудимые,
т.е. на те, которые под действием
того или иного раздражителя меняют
электрическое состояние мембраны.

26.

Активный транспорт ионов вызывает различия
в ионном составе вне- и внутриклеточной сред
(концентрационный градиент)
Градиент (раз)
10
30
15
20 000
А- - органические анионы

27. Виды ионного транспорта

Активный - с затратой энергии АТФ,
против концентрационного и/или
электрического градиента
• Первичный
• Вторичный
Пассивный – без затрат энергии, по
концентрационному и/или
электрическому градиенту
• Простая диффузия (ионные каналы)
• Облегченная диффузия (белки-переносчики)
• Осмос

28. Разность концентраций ионов снаружи и внутри клетки создается путем активного транспорта

Активный транспорт –
первичный
(использование
Виды активного
транспорта
энергии
расщепления АТФ),
Направления транспорта ионов
Na+
Ca2+
K+
Ca2+
Cl-
вторичный (использование
энергии потока ионов по
градиенту концентрации).
Различают ко-транспорт
(движение ионов в одном
направлении) и ионообмен
(движение в противоположном
направлении)

29. Активный транспорт Натрий- калиевый обменный насос (АТФаза) Перенос ионов натрия и калия через мембрану. Принцип работы натрий-

Na+
Активный транспорт
Натрий- калиевый обменный насос (АТФаза)
Перенос ионов натрия и калия через мембрану. Принцип работы
натрий- калиевого насоса (натрий- калиевой АТФазы)
K+
(А) Посадочные места, направленные внутрь
клетки, обладают высоким сродством к
натрию и низким — к калию. Ионы
калия, до этого момента связанные с
молекулой АТФазы, высвобождаются, в
то время как ионы натрия связываются с
ней.
(Б) Вслед за связыванием натрия происходит
связывание молекулы АТФ и
фосфорилирование фермента.
(В) В результате фосфорилирования в
структуре фермента происходят
изменения, приводящие к выдвижению
посадочных мест во внеклеточную
среду.
(Г) В таком положении посадочные места
обладают низким сродством к натрию и
высоким — к калию, поэтому ионы
натрия освобождаются во внеклеточную
среду, а ионы калия связываются с
молекулой АТФазы.
(Д) При связывании ионов калия АТФаза
дефосфорилируется.
(Е) Возврат в первоначальное состояние.

30. Активный транспорт Кальциевый насос (АТФаза). Натрий- кальциевый обменник

(А)
Ca2+
Ca2+
(Б)
Кальциевый насос
(АТФаза)
(А) Внутриклеточная концентрация ионов кальция
поддерживается на очень низком уровне, за счет
первичного активного транспорта ионов кальция из
цитоплазмы
в
окружающую
среду
или
в
эндоплазматический
ретикулум
(в
мышце
саркоплазматический ретикулум).
Эффективность второго вида транспорта более
значительна, поскольку переносчик за один цикл
переносит 2 иона кальция.
Натрий- кальциевый
обменник
(Б) Натрий-кальциевый обменник.
Выброс одного иона кальция из
клетки энергетически сопряжен с
входом трех ионов натрия.

31. Активный транспорт Калий- хлорный ионообменник и натрий-калий-хлорный ко-транспорт

Cl -
Cl Фуросемид-
(В)
блокатор транспорта хлора
1
Ионы2хлора могут как
закачиваться в клетку, так и
выкачиваться из нее.
(В) в некоторых нейронах
существует первичный активный
транспорт хлора наружу.
(Г) Калий-хлорный ко-транспорт
осуществляет вывод ионов хлора
из клетки за счет энергии
выходящего тока калия.
(Д) В некоторых нейронах и
мышечных волокнах транспорт
хлора внутрь клетки производится
натрий-калий-хлорным котранспортером .
1
(Г)
2
(Д)

32. Молекулярная структура транспортных молекул

(А) Натрий-калиевая АТФаза состоит из α-субъединицы, имеющей от 8 до 12
трансмембранных спиральных сегментов, и меньшей по размеру β-субъединицы,
пронизывающей мембрану лишь один раз.
(Б) Натрий-кальциевые обменники имеют 11 трансмембранных сегментов.
(В) Калий-хлорные ко-транспортеры имеют 12 трансмембранных сегментов.

33. Транспорт ионов через ионные каналы

34. Модель облегченной диффузии глюкозы

35. Включение транспортных белков в состав мембраны

36. Модель работы активного транспорта

37.

Ионные каналы, строение, классификация,
способ активации, прикладные аспекты

38.

Активный транспорт ионов вызывает различия
в ионном составе вне- и внутриклеточной сред
(концентрационный градиент)
Градиент (раз)
10
30
15
20 000
А- - органические анионы

39. Зачем нужен концентрационный градиент?

• Электрические токи, возникающие в
клетке, обеспечиваются пассивным
движением ионов через мембрану
• Для того, чтобы ионы могли двигаться
через мембрану, необходимо создать
разность концентраций снаружи и внутри
клетки (концентрационный градиент)

40. Виды ионного транспорта

• Активный - с затратой энергии АТФ, против
концентрационного и/или электрического
градиента
– Первичный
– Вторичный
• Пассивный – без затрат энергии, по
концентрационному и/или электрическому
градиенту
– Простая диффузия (ионные каналы)
– Облегченная диффузия (белки-переносчики)
– Осмос

41. Для того, чтобы ионы могли двигаться через мембрану, необходимо иметь мембранные структуры, сообщающие вне- и внутриклеточную

среду (ионные каналы)
1-1000 каналов на квадратный микрометр мембраны

42. Как выглядит ионный канал?

• Центральная водная
пора
• Устья канала
• Ворота

43. Два основных типа ионных каналов

В зависимости от роли в
нейрональной сигнализации,
различают 2 основных типа
ионных каналов – каналы покоя и
воротные -gate- (управляемые)
каналы.
Каналы покоя открываются в
покое без влияния внешних
факторов. Они участвуют,
преимущественно, в поддержании
мембранного потенциала покоя и
проницаемы для ионов К или Сl.
Большинство gate-каналов в
покое закрыто. Вероятность их
открытия регулируется
определенными воздействиями.
Они участвуют в генерации
электрических сигналов.

44. Работа канала

• Покой – канал закрыт, но может открыться
под действием адекватного стимула
• Активация- открытие канала под действием
адекватного стимула.
• Инактивация – состояние, когда канал закрыт
и адекватный стимул не действует (для
потенциалзависимых каналов) или
десенситизация –для лигандактивируемых
каналов)

45. Модель потенциал-зависимого ионного канала

Модель
потенциалзависимого
ионного
канала

46. Классификация ионных каналов

По избирательности
1. Неселективные (никотиновый холинорецептор)
2. Селективные (Na+, K+, Ca++, Cl-)
По механизму активации
1.Потенциалзависимые (Na+, K+, Ca++)
2.Хемочувствительные (лигандактивируемые)
а) ионотропные рецепторы (Н-ХР, NMDA-Р, пуриновые Р)
б) активируются с цитоплазматической стороны Кса,
3.Механочувствительные (в волосковых клетках уха, в
кардиомиоцитах др.)
По проводимости
1. Большой проводимости Na+, К Са , АХ (рецептор)
2. Малой проводимости Ca++

47. Классификация ионных каналов

По скорости активации
вероятность открытия)
(активация
увеличивает
1. Быстровозбудимые Na+
2. Медленно активируемые медленные К+ каналы
По инактивации
1. Инактивируемые Na+
2. Неинактивируемые медленные К+ каналы
По времени жизни
1. Короткоживущие (менее 1 мс ) Н-ХР, Na+
2. Долгоживущие (более 100 мс ) пуриновые рецепторы

48. Избирательность (селективность) каналов

• Селективные
(Na+, К+, Са 2+, Cl- каналы ).
Селективность определяется
• размерами поры и иона,
• гидратной оболочкой,
• зарядом иона
• зарядом внутренней
поверхности канала
• Неселективные

49. Неселективный ионный канал Н-холинорецептор

50. Способы открытия (активации) управляемых ионных каналов

Активация физическими
изменениями
Потенциал-управляемые каналы
Каналы, активирующиеся
растяжением
Активация химическими
веществами
Внеклеточная активация
Внутриклеточная активация

51. Калиевые каналы

электровозбудимые
быстрые э/в
каналы
П-А-И
медленные
неинактивируе
мые
П-А
функция:
быстро вернуть Создание
мембранный
мембранного
потенциал к
потенциала
исходному
состоянию
после его
снижения
хемовозбудимые
М-ХР
АХ снаружи
К Са , К атф ,
Торможение
работы сердца
Предотвращает
перегрузку
сердца ионами
кальция

52. Кальциевые каналы

Признак
Проводимость
l-каналы
(large)
T-каналы
(tiny)
N- каналы
(neuron)
P- каналы
(клетки
большая
малая
средняя
средняя
быстрая
средняя
быстрая
мышцы
сердце
периферичес- нейроны в
кие нейроны
головном
мозге
электромеханическое
сопряжение
возбуждение
секреция
медиатора
медленная
Скорость
активации и
инактивации
Объект
Функция
Пуркинье)
секреция
медиатора

53. Открытое и закрытое состояние ионных каналов

• Переход из закрытого в открытое состояние
происходит моментально.
• Канал открывается на определенное время, которое
варьирует случайным образом. Среднее время
открытого состояния (мс).
• Активация - увеличение вероятности открытия канала
под действием адекватного стимула.
• Деактивация - снижение вероятности открытия канала
под действием адекватного стимула.
• Инактивация – переход канала в новое
конформационное состояние, когда адекватный
стимул не действует.
• Блокирование открытого состояния - токсины, ионы и
др.

54. Молекулярные механизмы активации и инактивации каналов

55. Проводимость и проницаемость каналов

• Величина тока, проходящего через канал, связана со скоростью
движения ионов через него и пропорциональна потенциалу на
мембране
i = gV,
где V –потенциал на мембране (в B),
i – величина тока через канал (в A),
константа g – проводимость канала (в Cм)
• Проводимость ионного канала зависит от легкости, с которой ионы
проходят через канал – проницаемости (внутреннее свойство
канала), и от концентрации ионов у устьев канала.
Ионный ток, текущий через мембрану клетки
I= i *P* N,
где i – ток через отдельный канал,
P- вероятность открытия канала,
N- количество каналов в мембране.

56. Строение ионного канала

Методы
исследования
Аминокислоты
Выделение белков
каналов
Спиральные
сегменты
Аминокислотная
последовательность
Домены
Субъединицы
Клонирование
Канал
Точечные мутации
Экспрессия в
чужеродные клетки
Цитоплазма

57. Потенциал-управляемые селективные ионные каналы

4 сенсора потенциала

58.

Структура основных
потенциал-активируемых
ионных каналов
Порообразующая
αсубъединица
потенциалактивируемых
натриевых
и
кальциевых
каналов
представляет
собой
одну
белковую молекулу с четырьмя
доменами (I-IV), соединенными
внутриклеточными
аминокислотными
петлями.
Каждый
домен
имеет
6
спиральных
трансмембранных
сегментов. Сворачивание
αсубъединицы образует канал.
α-субъединица
калиевого
канала похожа на одиночный
домен
натриевого
или
кальциевого канала. В этом
случае канал образуется за счет
стыковки 4 α-субъединиц.
Слева показано схематическое
изображение
каналов
(вид
сверху)
Указано
взаимное
расположение порообразующих
(α)
и
вспомогательных
(регуляторных)
субъединиц
(малые кружки).

59. Работа отдельного канала пэтч-кламп (patch-clamp)

Гигаомный контакт
Преимущества
1.
Возможность исследовать отдельный канал
2.
Возможность менять потенциал на мембране
3.
Возможность менять ионный состав и добавлять
любые исследуемые вещества с обоих сторон
мембраны

60. Нобелевская премия 1991 года в области физиологии и медицины

Эрвин Нейер
и
Берт Сакманн
«за открытия в области работы
одиночных ионных каналов»

61.

Что заставляет ионы двигаться
через открытые каналы?

62. Движение ионов через каналы

• Движение иона через канал
управляется двумя силами:
• 1) химической движущей
силой, которая зависит от
концентрационного градиента,
• 2) электрической движущей
силой, которая зависит от
разности электрического
потенциала на мембране.
• Потенциал на мембране, когда
электрическая сила точно
уравновешивается химической
силой и движение ионов через
канал прекращается назвали
равновесным потенциалом Е.
Е
цитоплазма

63. Равновесные потенциалы (Е) итоговая движущая сила (V- Е)

K-каналы
-95
K+
Na-каналы
+67
Na+
Ca-каналы
+123
Ca++
Cl-каналы
-89 - 47 Cl-
i = gV,
i = g (V- Е)

64. Расчет равновесного потенциала

Равновесный потенциал для какого-либо иона Х
можно рассчитать из уравнения, полученного в 1888
году немецким физическим химиком Walter Nernst на
основании принципов термодинамики.
RT X o
ER
ln
zF X i
Где R – газовая постоянная, Т – температура (по
Келвину), z – валентность иона, F – константа
Фарадея, [Х]о и [Х]in – концентрации ионов внутри и
снаружи клетки.
• Уравнение Нернста можно использовать для расчета
равновесного потенциала любого иона по обе
стороны мембраны, проницаемой для данного иона.

65. Блокаторы ионных каналов

Прикладные медицинские аспекты
Блокаторы ионных каналов
Na+ каналы
Тетродотоксин
(рыба фугу)
Сакситоксин
(планктон,
моллюски)
Лидокаин
Кокаин
Тетракаин
Прокаин
К+ каналы
Са2+ каналы
Тетраэтиламмоний Двухвалентные
4-аминопиридин
Ибериотоксин
(яд скорпиона)
катионы (кобальт,
никель, кадмий)
Дигидропиридины
(нитрендипин)
Фенилалкиламины
(верапамил)
Бензодиазепины
(дилтиазем)