Formazione del potenziale di membrana a riposo. Potenziale di membrana a riposo di un neurone

• gestito. Tramite meccanismo di controllo: controllato elettricamente, chimicamente e meccanicamente;
• incontrollabile. Non hanno un meccanismo a cancello e sono sempre aperti, gli ioni fluiscono costantemente, ma lentamente.

Potenziale di riposo- questa è la differenza di potenziale elettrico tra l'ambiente esterno e quello interno della cellula.

Il meccanismo di formazione dei potenziali di riposo. La causa immediata del potenziale di riposo è la disuguale concentrazione di anioni e cationi all'interno e all'esterno della cellula. Innanzitutto questa disposizione degli ioni è giustificata dalla differenza di permeabilità. In secondo luogo, dalla cellula escono molti più ioni potassio rispetto a quelli sodio.

Potenziale d'azione- questa è l'eccitazione della cellula, la rapida fluttuazione del potenziale di membrana dovuta alla diffusione degli ioni dentro e fuori la cellula.

Quando uno stimolo agisce sulle cellule del tessuto eccitabile, i canali del sodio vengono prima attivati ​​e inattivati ​​molto rapidamente, quindi i canali del potassio vengono attivati ​​e inattivati ​​con un certo ritardo.

Di conseguenza, gli ioni si diffondono rapidamente dentro o fuori la cellula lungo un gradiente elettrochimico. Questa è eccitazione. In base alla variazione dell'entità e del segno della carica della cella si distinguono tre fasi:

• 1a fase - depolarizzazione. Riduzione della carica della cella a zero. Il sodio si muove verso la cellula secondo una concentrazione e un gradiente elettrico. Condizione di movimento: cancello del canale del sodio aperto;
• 2a fase - inversione. Inversione del segno di carica. L'inversione prevede due parti: ascendente e discendente.

La parte ascendente. Il sodio continua a muoversi nella cellula secondo il gradiente di concentrazione, ma contro il gradiente elettrico (interferisce).

Parte discendente. Il potassio inizia a lasciare la cellula secondo una concentrazione e un gradiente elettrico. Il cancello del canale del potassio è aperto;

• 3a fase - ripolarizzazione. Il potassio continua a lasciare la cellula secondo il gradiente di concentrazione, ma contrariamente al gradiente elettrico.

Criteri di eccitabilità

Con lo sviluppo di un potenziale d'azione, si verifica un cambiamento nell'eccitabilità dei tessuti. Questo cambiamento avviene in fasi. Lo stato di polarizzazione iniziale della membrana riflette tipicamente il potenziale di membrana a riposo, che corrisponde allo stato iniziale di eccitabilità e, quindi, allo stato iniziale della cellula eccitabile. Questo è un livello normale di eccitabilità. Il periodo pre-picco è il periodo in cui inizia il potenziale d'azione. L'eccitabilità dei tessuti è leggermente aumentata. Questa fase di eccitabilità è l'esaltazione primaria (eccitabilità sopranormale primaria). Durante lo sviluppo del pre-spike, il potenziale di membrana si avvicina al livello critico di depolarizzazione e, per raggiungere questo livello, l'intensità dello stimolo può essere inferiore alla soglia.

Durante il periodo di sviluppo del picco (potenziale di picco), si verifica un flusso simile a una valanga di ioni sodio nella cellula, a seguito del quale la membrana si ricarica e perde la capacità di rispondere con eccitazione agli stimoli di cui sopra. -forza di soglia. Questa fase di eccitabilità è detta refrattarietà assoluta, cioè assoluta ineccitabilità, che dura fino alla fine della ricarica della membrana. La refrattarietà assoluta della membrana si verifica a causa del fatto che i canali del sodio si aprono completamente e quindi si inattivano.

Dopo la fine della fase di ricarica, la sua eccitabilità viene gradualmente ripristinata al livello originale: questa è una fase di relativa refrattarietà, cioè relativa ineccitabilità. Continua finché la carica della membrana non viene ripristinata ad un valore corrispondente al livello critico di depolarizzazione. Poiché durante questo periodo il potenziale di membrana a riposo non è stato ancora ripristinato, l'eccitabilità del tessuto è ridotta e una nuova eccitazione può verificarsi solo sotto l'azione di uno stimolo soprasoglia. La diminuzione dell'eccitabilità nella relativa fase refrattaria è associata alla parziale inattivazione dei canali del sodio e all'attivazione dei canali del potassio.

Il periodo successivo corrisponde ad un aumento del livello di eccitabilità: la fase di esaltazione secondaria o eccitabilità sopranormale secondaria. Poiché il potenziale di membrana in questa fase è più vicino al livello critico di depolarizzazione, rispetto allo stato di riposo della polarizzazione iniziale, la soglia di stimolazione è ridotta, cioè l’eccitabilità cellulare aumenta. Durante questa fase, può sorgere una nuova eccitazione dall'azione di stimoli di intensità sottosoglia. Durante questa fase i canali del sodio non vengono completamente inattivati. Il potenziale di membrana aumenta: si verifica uno stato di iperpolarizzazione della membrana. Allontanandosi dal livello critico di depolarizzazione, la soglia di stimolazione aumenta leggermente e la nuova eccitazione può verificarsi solo sotto l'influenza di stimoli di valore superiore alla soglia.

Il meccanismo di comparsa del potenziale di membrana a riposo

Ogni cellula a riposo è caratterizzata dalla presenza di una differenza di potenziale transmembrana (potenziale di riposo). Tipicamente, la differenza di carica tra le superfici interna ed esterna delle membrane è compresa tra -80 e -100 mV e può essere misurata utilizzando microelettrodi esterni e intracellulari (Fig. 1).

Viene chiamata la differenza di potenziale tra il lato esterno e quello interno della membrana cellulare nel suo stato di riposo potenziale di membrana (potenziale di riposo).

La creazione del potenziale di riposo è assicurata da due processi principali: la distribuzione non uniforme degli ioni inorganici tra gli spazi intra ed extracellulari e la permeabilità ineguale della membrana cellulare verso di essi. L'analisi della composizione chimica del fluido extra e intracellulare indica una distribuzione estremamente irregolare degli ioni (Tabella 1).

A riposo all'interno della cellula ci sono molti anioni di acidi organici e ioni K+, la cui concentrazione è 30 volte superiore a quella all'esterno; Al contrario, all'esterno della cellula ci sono 10 volte più ioni Na+ che all'interno; CI- è anche più grande all'esterno.

A riposo, la membrana delle cellule nervose è più permeabile al K+, meno permeabile al CI- e molto poco permeabile al Na+. La permeabilità della membrana delle fibre nervose al Na+ a riposo è 100 volte inferiore a quella del K+. Per molti anioni di acidi organici la membrana a riposo è completamente impermeabile.

Riso. 1. Misurazione del potenziale di riposo di una fibra muscolare (A) utilizzando un microelettrodo intracellulare: M - microelettrodo; I - elettrodo indifferente. Il raggio sullo schermo dell'oscilloscopio (B) mostra che prima che la membrana fosse perforata dal microelettrodo, la differenza di potenziale tra M e I era pari a zero. Al momento della foratura (indicato dalla freccia), è stata rilevata una differenza di potenziale, che indica che il lato interno della membrana è carico negativamente rispetto alla sua superficie esterna (secondo B.I. Khodorov)

Tavolo. Concentrazioni intra ed extracellulari di ioni nella cellula muscolare di un animale a sangue caldo, mmol/l (secondo J. Dudel)

	Concentrazione intracellulare	Concentrazione extracellulare
A- (anioni di composti organici)

A causa del gradiente di concentrazione, il K+ raggiunge la superficie esterna della cellula trasportando la sua carica positiva. Gli anioni ad alto peso molecolare non possono seguire K+ perché la membrana è loro impermeabile. Anche lo ione Na+ non può sostituire gli ioni potassio persi, perché la permeabilità della membrana è molto inferiore. CI- lungo il gradiente di concentrazione può muoversi solo all'interno della cellula, aumentando così la carica negativa della superficie interna della membrana. Come risultato di questo movimento di ioni, la polarizzazione della membrana avviene quando la sua superficie esterna è caricata positivamente e la superficie interna è caricata negativamente.

Il campo elettrico che si crea sulla membrana interferisce attivamente con la distribuzione degli ioni tra il contenuto interno ed esterno della cellula. Quando la carica positiva sulla superficie esterna della cella aumenta, diventa sempre più difficile per lo ione K+, che è carico positivamente, spostarsi dall'interno verso l'esterno. Sembra che si stia procedendo in salita. Quanto maggiore è la carica positiva sulla superficie esterna, tanto meno ioni K+ possono raggiungere la superficie della cellula. Ad un certo potenziale sulla membrana, il numero di ioni K+ che attraversano la membrana in entrambe le direzioni risulta essere uguale, cioè Il gradiente di concentrazione del potassio è bilanciato dal potenziale presente attraverso la membrana. Il potenziale al quale il flusso di diffusione degli ioni diventa uguale al flusso di ioni simili che si muovono nella direzione opposta è chiamato potenziale di equilibrio per un dato ione. Per gli ioni K+ il potenziale di equilibrio è -90 mV. Nelle fibre nervose mielinizzate, il valore del potenziale di equilibrio per gli ioni CI- è vicino al valore del potenziale di membrana a riposo (-70 mV). Pertanto, nonostante il fatto che la concentrazione di ioni CI- all'esterno della fibra sia maggiore che al suo interno, la loro corrente unidirezionale non viene osservata secondo il gradiente di concentrazione. In questo caso la differenza di concentrazione è bilanciata dal potenziale presente sulla membrana.

Lo ione Na+ lungo il gradiente di concentrazione dovrebbe entrare nella cellula (il suo potenziale di equilibrio è +60 mV), e la presenza di una carica negativa all'interno della cellula non dovrebbe interferire con questo flusso. In questo caso, il Na+ in entrata neutralizzerebbe le cariche negative all'interno della cellula. Ciò però in realtà non avviene, poiché la membrana a riposo è scarsamente permeabile al Na+.

Il meccanismo più importante che mantiene una bassa concentrazione intracellulare di ioni Na+ e un'alta concentrazione di ioni K+ è la pompa sodio-potassio (trasporto attivo). È noto che nella membrana cellulare esiste un sistema di trasportatori, ciascuno dei quali è legato agli ioni Na+ della staffa situati all'interno della cellula e li trasporta. Dall'esterno, il trasportatore si lega a due ioni K+ situati all'esterno della cellula, che vengono trasferiti nel citoplasma. L'approvvigionamento energetico per il funzionamento dei sistemi di trasporto è fornito da ATP. Il funzionamento di una pompa che utilizza tale sistema porta ai seguenti risultati:

• All'interno della cellula viene mantenuta un'elevata concentrazione di ioni K+ che garantisce un valore costante del potenziale di riposo. Dato che durante un ciclo di scambio ionico dalla cellula viene rimosso uno ione positivo in più di quanto ne viene introdotto, il trasporto attivo gioca un ruolo nella creazione del potenziale di riposo. In questo caso si parla di pompa elettrogenica, poiché essa stessa crea una corrente piccola ma costante di cariche positive dalla cellula, e quindi contribuisce direttamente alla formazione di un potenziale negativo al suo interno. Tuttavia, il contributo della pompa elettrogenica al potenziale di riposo totale è solitamente piccolo e ammonta a diversi millivolt;
• all'interno della cellula viene mantenuta una bassa concentrazione di ioni Na + che, da un lato, garantisce il funzionamento del meccanismo di generazione del potenziale d'azione e, dall'altro, garantisce il mantenimento della normale osmolarità e del volume cellulare;
• Mantenendo stabile il gradiente di concentrazione di Na+, la pompa sodio-potassio favorisce il trasporto accoppiato K+, Na+ di aminoacidi e zuccheri attraverso la membrana cellulare.

Pertanto, la comparsa di una differenza di potenziale transmembrana (potenziale di riposo) è dovuta all'elevata conduttività della membrana cellulare a riposo per gli ioni K +, CI-, all'asimmetria ionica delle concentrazioni di ioni K + e CI-, al lavoro di sistemi di trasporto attivi (Na+/K+-ATPasi), che creano e mantengono l'asimmetria ionica.

Potenziale d'azione delle fibre nervose, impulso nervoso

Potenziale d'azione - Questa è una fluttuazione a breve termine nella differenza potenziale della membrana di una cellula eccitabile, accompagnata da un cambiamento nel suo segno di carica.

Il potenziale d'azione è il principale segno specifico di eccitazione. La sua registrazione indica che la cellula o le sue strutture hanno risposto all'impatto con eccitazione. Tuttavia, come già notato, la PD in alcune cellule può manifestarsi spontaneamente (spontaneamente). Tali cellule si trovano nei pacemaker del cuore, nelle pareti dei vasi sanguigni e nel sistema nervoso. AP viene utilizzato come portatore di informazioni, trasmettendole sotto forma di segnali elettrici (segnalazione elettrica) lungo le fibre nervose afferenti ed efferenti, il sistema di conduzione del cuore e anche per avviare la contrazione delle cellule muscolari.

Consideriamo le ragioni e il meccanismo di generazione di AP nelle fibre nervose afferenti che formano i recettori sensoriali primari. La causa immediata della comparsa (generazione) di AP in essi è il potenziale del recettore.

Se misuriamo la differenza di potenziale sulla membrana del nodo di Ranvier più vicino alla terminazione nervosa, negli intervalli tra gli impatti sulla capsula del corpuscolo paciniano rimane invariata (70 mV) e durante l'esposizione si depolarizza quasi contemporaneamente alla depolarizzazione di la membrana ricevente della terminazione nervosa.

Con un aumento della forza di pressione sul corpo paciniano, causando un aumento del potenziale del recettore a 10 mV, una rapida oscillazione del potenziale di membrana viene solitamente registrata nel nodo di Ranvier più vicino, accompagnata dalla ricarica della membrana - il potenziale d'azione (AP), o impulso nervoso (Fig. 2). Se la forza di pressione sul corpo aumenta ancora di più, l'ampiezza del potenziale del recettore aumenta e nella terminazione nervosa viene generato un numero di potenziali d'azione con una certa frequenza.

Riso. 2. Rappresentazione schematica del meccanismo per convertire il potenziale del recettore in potenziale d'azione (impulso nervoso) e propagare l'impulso lungo la fibra nervosa

L'essenza del meccanismo di generazione AP è che il potenziale del recettore provoca la comparsa di correnti circolari locali tra la membrana del recettore depolarizzato della parte non mielinizzata della terminazione nervosa e la membrana del primo nodo di Ranvier. Queste correnti, trasportate da Na+, K+, CI- e altri ioni minerali, “scorrono” non solo lungo, ma anche attraverso la membrana della fibra nervosa nella zona del nodo di Ranvier. Nella membrana dei nodi di Ranvier, a differenza della membrana recettore della terminazione nervosa stessa, c'è un'alta densità di canali di sodio e potassio dipendenti dalla tensione ionica.

Quando viene raggiunto il valore di depolarizzazione di circa 10 mV sulla membrana di intercettazione di Ranvier, si aprono canali veloci del sodio voltaggio-dipendenti e attraverso di essi un flusso di ioni Na+ scorre nell'assoplasma lungo il gradiente elettrochimico. Provoca una rapida depolarizzazione e ricarica della membrana nel nodo di Ranvier. Tuttavia, contemporaneamente all'apertura dei canali veloci del sodio voltaggio-dipendenti nella membrana del nodo di Ranvier, i canali lenti del potassio voltaggio-dipendenti si aprono e gli ioni K+ iniziano a lasciare l'assoillasma, la loro uscita ritarda rispetto all'ingresso degli ioni Na+. Pertanto, gli ioni Na+ che entrano nell'assoplasma ad alta velocità depolarizzano rapidamente e ricaricano la membrana per un breve periodo (0,3-0,5 ms), mentre gli ioni K+ che escono ripristinano la distribuzione originale delle cariche sulla membrana (ripolarizzano la membrana). Di conseguenza, durante un impatto meccanico sul corpuscolo di Pacini con una forza pari o superiore alla soglia, si osserva un'oscillazione potenziale a breve termine sulla membrana del nodo di Ranvier più vicino sotto forma di rapida depolarizzazione e ripolarizzazione della membrana , cioè. Viene generato il PD (impulso nervoso).

Poiché la causa diretta della generazione di AP è il potenziale del recettore, in questo caso viene anche chiamato potenziale del generatore. Il numero di impulsi nervosi di uguale ampiezza e durata generati per unità di tempo è proporzionale all'ampiezza del potenziale recettore, e quindi alla forza di pressione sul recettore. Il processo di conversione delle informazioni sulla forza d'influenza contenuta nell'ampiezza del potenziale del recettore in un numero di impulsi nervosi discreti è chiamato codifica discreta delle informazioni.

I meccanismi ionici e la dinamica temporale dei processi di generazione di AP sono stati studiati più dettagliatamente in condizioni sperimentali con esposizione artificiale della fibra nervosa a corrente elettrica di varia intensità e durata.

La natura del potenziale d'azione delle fibre nervose (impulso nervoso)

La membrana della fibra nervosa nel punto di localizzazione dell'elettrodo stimolante risponde all'influenza di una corrente molto debole che non ha ancora raggiunto il valore di soglia. Questa risposta è detta locale, e l'oscillazione della differenza di potenziale sulla membrana è detta potenziale locale.

Una risposta locale sulla membrana di una cellula eccitabile può precedere la comparsa di un potenziale d'azione o avvenire come un processo indipendente. Rappresenta una fluttuazione a breve termine (depolarizzazione e ripolarizzazione) del potenziale di riposo, non accompagnata da ricarica della membrana. La depolarizzazione della membrana durante lo sviluppo del potenziale locale è dovuta all'ingresso anticipato degli ioni Na+ nell'assoplasma, mentre la ripolarizzazione è dovuta all'uscita ritardata degli ioni K+ dall'assoplasma.

Se la membrana è esposta a una corrente elettrica di intensità crescente, a questo valore, chiamato soglia, la depolarizzazione della membrana può raggiungere un livello critico - Ec, al quale si verifica l'apertura rapida dei canali del sodio dipendenti dalla tensione. Di conseguenza, attraverso di essi si verifica un aumento simile a una valanga del flusso di ioni Na+ nella cellula. Il processo di depolarizzazione indotto diventa autoaccelerato e il potenziale locale si sviluppa in un potenziale d'azione.

È già stato detto che un segno caratteristico della PD è un'inversione (cambiamento) a breve termine del segno della carica sulla membrana. All'esterno si carica negativamente per un breve periodo (0,3-2 ms) e all'interno si carica positivamente. L'entità dell'inversione può arrivare fino a 30 mV e l'entità dell'intero potenziale d'azione è 60-130 mV (Fig. 3).

Tavolo. Caratteristiche comparative del potenziale locale e del potenziale d'azione

Caratteristica	Potenziale locale	Potenziale d'azione
Conduttività	Si diffonde localmente, 1-2 mm con attenuazione (diminuzione)	Si diffonde senza attenuazione su lunghe distanze lungo tutta la lunghezza della fibra nervosa
Legge della "forza"	Invia	Non obbedisce
Legge tutto o niente	Non obbedisce	Invia
Fenomeno di sommatoria	Riassume, aumenta con ripetute e frequenti stimolazioni sottosoglia	I conti non tornano
Valore di ampiezza
Eccitabilità	Aumenta	Diminuisce fino alla completa ineccitabilità (refrattarietà)
Entità dello stimolo	Subliminale	Soglia e supersoglia

Il potenziale d'azione, a seconda della natura del cambiamento delle cariche sulla superficie interna della membrana, è suddiviso in fasi di depolarizzazione, ripolarizzazione e iperpolarizzazione della membrana. Depolarizzazione richiama l'intera parte ascendente del PD, nella quale sono individuate le aree corrispondenti al potenziale locale (dal livello E0 Prima E k), rapida depolarizzazione (dal livello E k al livello 0 mV), inversioni segno di carica (da 0 mV al valore di picco o all'inizio della ripolarizzazione). Ripolarizzazione chiamata parte discendente dell'AP, che riflette il processo di ripristino della polarizzazione originaria della membrana. All'inizio, la ripolarizzazione avviene rapidamente, ma man mano che si avvicina al livello E0, la velocità può rallentare e questa sezione viene chiamata tracciare negatività(o tracciare potenziale negativo). In alcune cellule, in seguito alla ripolarizzazione, si sviluppa l'iperpolarizzazione (un aumento della polarizzazione della membrana). La chiamano tracciare potenziale positivo.

Viene anche chiamata la parte iniziale a flusso rapido ad alta ampiezza dell'AP picco, O arpione. Comprende fasi di depolarizzazione e ripolarizzazione rapida.

Nel meccanismo di sviluppo della PD, il ruolo più importante appartiene ai canali ionici voltaggio-dipendenti e ad un aumento non simultaneo della permeabilità della membrana cellulare per gli ioni Na+ e K+. Pertanto, quando una corrente elettrica agisce su una cellula, provoca la depolarizzazione della membrana e, quando la carica della membrana diminuisce fino a un livello critico (Ec), si aprono i canali del sodio voltaggio-dipendenti. Come già accennato, questi canali sono formati da molecole proteiche incastonate nella membrana, all'interno della quale è presente un poro e due meccanismi di gate. Uno dei meccanismi di cancello, l'attivazione, garantisce (con la partecipazione del segmento 4) l'apertura (attivazione) del canale durante la depolarizzazione della membrana, e il secondo (con la partecipazione del circuito intracellulare tra il 3o e il 4o dominio) ne assicura l'inattivazione , che si sviluppa quando la membrana si ricarica (Fig. 4). Poiché entrambi questi meccanismi cambiano rapidamente la posizione del gate del canale, i canali del sodio voltaggio-dipendenti sono canali ionici veloci. Questa circostanza è di importanza decisiva per la generazione di AP nei tessuti eccitabili e per la sua conduzione lungo le membrane delle fibre nervose e muscolari.

Riso. 3. Potenziale d'azione, sue fasi e correnti ioniche (a, o). Descrizione nel testo

Riso. 4. Posizione del gate e stato di attività dei canali del sodio e del potassio voltaggio-dipendenti a diversi livelli di polarizzazione della membrana

Affinché il canale del sodio voltaggio-dipendente possa consentire agli ioni Na+ di entrare nella cellula, è necessario aprire solo la porta di attivazione, poiché la porta di inattivazione è aperta in condizioni di riposo. Questo è ciò che accade quando la depolarizzazione della membrana raggiunge un livello E k(Fig. 3, 4).

L'apertura della porta di attivazione dei canali del sodio porta ad un ingresso a valanga di sodio nella cellula, guidato dalle forze del suo gradiente elettrochimico. Poiché gli ioni Na+ trasportano una carica positiva, neutralizzano le cariche negative in eccesso sulla superficie interna della membrana, riducono la differenza di potenziale attraverso la membrana e la depolarizzano. Presto gli ioni Na+ conferiscono un eccesso di cariche positive alla superficie interna della membrana, che è accompagnato da un'inversione (cambiamento) del segno di carica da negativo a positivo.

Tuttavia, i canali del sodio rimangono aperti solo per circa 0,5 ms e oltre questo periodo di tempo dal momento della loro insorgenza

AP chiude la porta di inattivazione, i canali del sodio diventano inattivati ​​e impermeabili agli ioni Na+, il cui ingresso nella cellula è fortemente limitato.

Dal momento della depolarizzazione della membrana al livello E k si osservano anche l'attivazione dei canali del potassio e l'apertura delle loro porte per gli ioni K+. Gli ioni K+, sotto l'influenza delle forze del gradiente di concentrazione, lasciano la cellula, rimuovendo da essa le cariche positive. Tuttavia, il meccanismo di accesso dei canali del potassio funziona lentamente e la velocità di uscita delle cariche positive con ioni K+ dalla cellula verso l'esterno è in ritardo rispetto all'ingresso degli ioni Na+. Il flusso di ioni K+, allontanando dalla cellula le cariche positive in eccesso, provoca il ripristino della distribuzione originaria delle cariche sulla membrana o la sua ripolarizzazione, e sul lato interno, un attimo dopo la ricarica, viene ripristinata la carica negativa.

La comparsa di AP sulle membrane eccitabili e il successivo ripristino del potenziale di riposo originale sulla membrana è possibile perché la dinamica dell'ingresso e dell'uscita delle cariche positive degli ioni Na+ e K+ nella cellula e dell'uscita dalla cellula è diversa. L'ingresso dello ione Na+ avviene prima dell'uscita dello ione K+. Se questi processi fossero in equilibrio, la differenza di potenziale attraverso la membrana non cambierebbe. Lo sviluppo della capacità di eccitare e generare AP da parte delle cellule muscolari e nervose eccitabili era dovuto alla formazione di due tipi di canali ionici a velocità diversa nella loro membrana: sodio veloce e potassio lento.

Per generare un singolo AP, un numero relativamente piccolo di ioni Na+ entra nella cellula, il che non ne interrompe la distribuzione all'esterno e all'interno della cellula. Se viene generato un gran numero di AP, la distribuzione degli ioni su entrambi i lati della membrana cellulare potrebbe essere interrotta. Tuttavia, in condizioni normali, ciò viene impedito dal funzionamento della pompa Na+, K+.

In condizioni naturali, nei neuroni del sistema nervoso centrale, il potenziale d'azione nasce principalmente nella regione della collinetta dell'assone, nei neuroni afferenti - nel nodo di Ranvier della terminazione nervosa più vicina al recettore sensoriale, ad es. in quelle parti della membrana dove sono presenti canali del sodio voltaggio-dipendenti veloci e selettivi e canali lenti del potassio. In altri tipi di cellule (ad esempio pacemaker, miociti lisci), non solo i canali del sodio e del potassio, ma anche i canali del calcio svolgono un ruolo nella comparsa dell'AP.

I meccanismi di percezione e trasformazione dei segnali in potenziali d'azione nei recettori sensoriali secondari differiscono dai meccanismi discussi per i recettori sensoriali primari. In questi recettori, la percezione dei segnali viene effettuata da cellule neurosensoriali specializzate (fotorecettori, olfattive) o sensoepiteliali (gusto, uditive, vestibolari). Ognuna di queste cellule sensibili ha il proprio meccanismo speciale per percepire i segnali. Tuttavia in tutte le cellule l'energia del segnale percepito (stimolo) viene convertita in un'oscillazione della differenza di potenziale della membrana plasmatica, cioè in un'oscillazione della differenza di potenziale della membrana plasmatica. nel potenziale del recettore.

Pertanto, il punto chiave nei meccanismi mediante i quali le cellule sensoriali convertono i segnali percepiti in potenziale recettoriale è un cambiamento nella permeabilità dei canali ionici in risposta allo stimolo. L'apertura dei canali ionici Na +, Ca 2+, K + durante la percezione e la trasformazione del segnale si ottiene in queste cellule con la partecipazione di proteine ​​G, secondi messaggeri intracellulari, legame con ligandi e fosforilazione dei canali ionici. Di norma, il potenziale del recettore che si forma nelle cellule sensoriali provoca il rilascio di un neurotrasmettitore da esse nella fessura sinaptica, che garantisce la trasmissione di un segnale alla membrana postsinaptica della terminazione nervosa afferente e la generazione di un impulso nervoso sul suo membrana. Questi processi sono descritti in dettaglio nel capitolo sui sistemi sensoriali.

Il potenziale d'azione può essere caratterizzato da ampiezza e durata, che per la stessa fibra nervosa rimangono le stesse man mano che l'azione si propaga lungo la fibra. Pertanto, il potenziale d'azione è chiamato potenziale discreto.

Esiste una certa connessione tra la natura dell'impatto sui recettori sensoriali e il numero di AP che si formano nella fibra nervosa afferente in risposta all'impatto. Sta nel fatto che con una maggiore forza o durata dell'esposizione, nella fibra nervosa si formano un numero maggiore di impulsi nervosi, cioè all'aumentare dell'effetto, dal recettore verranno inviati impulsi di frequenza più elevata al sistema nervoso. I processi di conversione delle informazioni sulla natura dell'effetto in frequenza e altri parametri degli impulsi nervosi trasmessi al sistema nervoso centrale sono chiamati codifica discreta delle informazioni.

Potenziale di membrana a riposo

A riposo, all'esterno della membrana plasmatica è presente un sottile strato di cariche positive e all'interno di cariche negative. La differenza tra loro si chiama potenziale di membrana a riposo. Se assumiamo che la carica esterna sia zero, la differenza di carica tra la superficie esterna e quella interna della maggior parte dei neuroni risulta essere vicina a -65 mV, sebbene possa variare da -40 a -80 mV nelle singole cellule.

Il verificarsi di questa differenza di carica è dovuto alla distribuzione ineguale degli ioni potassio, sodio e cloro all'interno e all'esterno della cellula, nonché alla maggiore permeabilità della membrana cellulare a riposo solo per gli ioni potassio.

Nelle cellule eccitabili, il potenziale di membrana a riposo (RMP) può variare notevolmente e questa capacità è la base per la comparsa dei segnali elettrici. Si chiama diminuzione del potenziale di membrana a riposo, ad esempio da -65 a -60 mV depolarizzazione , e un aumento, ad esempio, da -65 a -70 mV, – iperpolarizzazione .

Se la depolarizzazione raggiunge un certo livello critico, ad esempio -55 mV, la permeabilità della membrana agli ioni sodio diventa massima per un breve periodo, si precipitano nella cellula e, quindi, la differenza di potenziale transmembrana diminuisce rapidamente fino a 0 e poi diventa positivo. Questa circostanza porta alla chiusura dei canali del sodio e al rapido rilascio degli ioni potassio dalla cellula attraverso canali destinati esclusivamente a loro: di conseguenza, viene ripristinato il valore originale del potenziale di membrana a riposo. Questi cambiamenti rapidi nel potenziale di membrana a riposo vengono chiamati potenziale d'azione. Il potenziale d'azione è un segnale elettrico guidato; si diffonde rapidamente lungo la membrana dell'assone fino alla sua estremità e non cambia la sua ampiezza da nessuna parte.

Tranne potenziali d'azione in una cellula nervosa, a causa dei cambiamenti nella permeabilità della sua membrana, possono sorgere segnali locali o locali: potenziale del recettore E potenziale postsinaptico. La loro ampiezza è significativamente inferiore a quella del potenziale d'azione; inoltre diminuisce notevolmente durante la propagazione del segnale. Per questo motivo i potenziali locali non possono propagarsi attraverso la membrana lontano dal loro punto di origine.

Il lavoro della pompa sodio-potassio nella cellula crea un'alta concentrazione di ioni potassio e nella membrana cellulare ci sono canali aperti per questi ioni. Gli ioni potassio che lasciano la cellula lungo un gradiente di concentrazione aumentano il numero di cariche positive sulla superficie esterna della membrana. Nella cellula ci sono molti anioni organici di grandi dimensioni e quindi la membrana risulta essere caricata negativamente dall'interno. Tutti gli altri ioni possono passare attraverso la membrana a riposo in quantità molto piccole, i loro canali sono per lo più chiusi. Di conseguenza, il potenziale di riposo deve la sua origine principalmente al flusso di ioni potassio dalla cellula .

Segnali elettrici: ingresso, combinati, conduttivi e di uscita

I neuroni entrano in contatto con determinate cellule bersaglio e il citoplasma delle cellule contattate non si connette e tra loro rimane sempre uno spazio sinaptico.

La versione moderna della teoria neurale collega alcune parti della cellula nervosa con la natura dei segnali elettrici che vi si presentano. Un tipico neurone ha quattro regioni morfologicamente definite: dendriti, soma, assone e terminale assonico presinaptico. Quando un neurone è eccitato, compaiono in sequenza quattro tipi di segnali elettrici: ingresso, combinato, conduttivo e uscita(Fig. 3.3). Ciascuno di questi segnali si verifica solo in una regione morfologica specifica.

Segnali in ingresso sono o recettore, O potenziale postsinaptico. Potenziale del recettore si forma nelle terminazioni di un neurone sensibile quando su di esse agisce un certo stimolo: stiramento, pressione, luce, una sostanza chimica, ecc. L'azione dello stimolo provoca l'apertura di alcuni canali ionici nella membrana, e il successivo flusso di ioni attraverso questi canali modifica il valore iniziale del potenziale di membrana a riposo; nella maggior parte dei casi si verifica la depolarizzazione. Questa depolarizzazione è il potenziale del recettore, la sua ampiezza è proporzionale alla forza dello stimolo corrente.

Il potenziale del recettore può diffondersi dal sito dello stimolo lungo la membrana fino a una distanza relativamente breve: l'ampiezza del potenziale del recettore diminuisce con la distanza dal sito dello stimolo, e quindi lo spostamento depolarizzante scomparirà del tutto.

Il secondo tipo di segnale di ingresso è potenziale postsinaptico. Si forma su una cellula postsinaptica dopo che una cellula presinaptica eccitata le invia un neurotrasmettitore. Dopo aver raggiunto la cellula postsinaptica attraverso la diffusione, il mediatore si attacca a specifiche proteine ​​​​recettrici nella sua membrana, provocando l'apertura dei canali ionici. La corrente ionica risultante attraverso la membrana postsinaptica modifica il valore iniziale del potenziale di membrana a riposo: questo spostamento è il potenziale postsinaptico.

In alcune sinapsi, tale spostamento rappresenta la depolarizzazione e, se raggiunge un livello critico, il neurone postsinaptico viene eccitato. In altre sinapsi si verifica uno spostamento nella direzione opposta: la membrana postsinaptica è iperpolarizzata: il valore del potenziale di membrana diventa più grande e diventa più difficile ridurlo a un livello critico di depolarizzazione. È difficile eccitare una tale cellula; è inibita. Pertanto, il potenziale postsinaptico depolarizzante è emozionante, e iperpolarizzante – frenatura. Di conseguenza, le sinapsi stesse sono divise in eccitatorie (che causano la depolarizzazione) e inibitorie (che causano l'iperpolarizzazione).

Indipendentemente da ciò che accade sulla membrana postsinaptica: depolarizzazione o iperpolarizzazione, l'entità dei potenziali postsinaptici è sempre proporzionale al numero di molecole trasmettitrici che agiscono, ma solitamente la loro ampiezza è piccola. Come il potenziale recettore, si diffondono lungo la membrana su una distanza molto breve, cioè riguardano anche le potenzialità locali.

Pertanto, i segnali di ingresso sono rappresentati da due tipi di potenziali locali, recettoriali e postsinaptici, e questi potenziali sorgono in aree strettamente definite del neurone: nelle terminazioni sensoriali o nelle sinapsi. Le terminazioni sensoriali appartengono ai neuroni sensoriali, dove il potenziale del recettore nasce sotto l'influenza di stimoli esterni. Per gli interneuroni, così come per i neuroni efferenti, solo il potenziale postsinaptico può essere il segnale di ingresso.

Segnale combinato può verificarsi solo in una regione della membrana dove è presente un numero sufficiente di canali ionici per il sodio. A questo proposito, l'oggetto ideale è la collinetta dell'assone, il luogo in cui l'assone si allontana dal corpo cellulare, poiché è qui che la densità dei canali per il sodio è più alta nell'intera membrana. Tali canali sono dipendenti dal potenziale, cioè si aprono solo quando il valore iniziale del potenziale di riposo raggiunge un livello critico. Il potenziale di riposo tipico per il neurone medio è di circa -65 mV e il livello critico di depolarizzazione corrisponde a circa -55 mV. Pertanto, se è possibile depolarizzare la membrana della collinetta dell'assone da -65 mV a -55 mV, lì sorgerà un potenziale d'azione.

I segnali di ingresso sono in grado di depolarizzare la membrana, cioè potenziali postsinaptici o potenziali recettoriali. Nel caso dei potenziali recettoriali, il luogo di origine del segnale combinato è il nodo di Ranvier più vicino alle terminazioni sensibili, dove è più probabile la depolarizzazione ad un livello critico. Ogni neurone sensoriale ha molte terminazioni, che sono rami di un processo. E, se in ciascuna di queste terminazioni, durante l'azione di uno stimolo, sorge un potenziale di recettore di ampiezza molto piccola che si diffonde al nodo di Ranvier con una diminuzione di ampiezza, allora è solo una piccola parte dello spostamento depolarizzante totale. Da ciascuna terminazione sensibile questi piccoli potenziali recettori si spostano contemporaneamente verso il nodo di Ranvier più vicino, e nella zona dell'intercettazione si sommano tutti. Se la quantità totale di spostamento depolarizzante è sufficiente, all'intercettazione si formerà un potenziale d'azione.

I potenziali postsinaptici che si formano sui dendriti sono piccoli quanto i potenziali dei recettori e diminuiscono anche quando si propagano dalla sinapsi alla collinetta dell'assone, dove può formarsi un potenziale d'azione. Inoltre, le sinapsi iperpolarizzanti inibitorie possono ostacolare la propagazione dei potenziali postsinaptici in tutto il corpo cellulare, e quindi la possibilità di una depolarizzazione della membrana della collinetta assonica di 10 mV sembra improbabile. Tuttavia, questo risultato viene regolarmente raggiunto come risultato della somma di molti piccoli potenziali postsinaptici che sorgono simultaneamente in numerose sinapsi formate dai dendriti del neurone con i terminali assonici delle cellule presinaptiche.

Pertanto, il segnale combinato risulta, di regola, come risultato della somma di numerosi potenziali locali formati simultaneamente. Questa somma si verifica nel luogo in cui sono presenti soprattutto molti canali voltaggio-dipendenti e quindi il livello critico di depolarizzazione viene raggiunto più facilmente. Nel caso dell'integrazione dei potenziali postsinaptici, tale luogo è la collinetta dell'assone, e la somma dei potenziali del recettore avviene nel nodo di Ranvier più vicino alle terminazioni sensoriali (o nell'area dell'assone non mielinizzato vicino ad esse). . L'area in cui si verifica il segnale combinato è chiamata integrativa o trigger.

L'accumulo di piccoli spostamenti depolarizzanti viene trasformato alla velocità della luce nella zona integrativa in un potenziale d'azione, che è il potenziale elettrico massimo della cellula e avviene secondo il principio "tutto o niente". Questa regola deve essere intesa in modo tale che la depolarizzazione al di sotto di un livello critico non porti alcun risultato, e quando questo livello viene raggiunto si rivela sempre la massima risposta, indipendentemente dalla forza degli stimoli: non esiste una terza opzione.

Conduzione di un potenziale d'azione. L'ampiezza dei segnali di ingresso è proporzionale alla forza dello stimolo o alla quantità di neurotrasmettitore rilasciato nella sinapsi: tali segnali sono chiamati graduale. La loro durata è determinata dalla durata dello stimolo o dalla presenza del trasmettitore nella fessura sinaptica. L'ampiezza e la durata del potenziale d'azione non dipendono da questi fattori: entrambi questi parametri sono interamente determinati dalle proprietà della cellula stessa. Pertanto, qualsiasi combinazione di segnali di ingresso, qualsiasi tipo di somma, nella singola condizione di depolarizzazione della membrana ad un valore critico, provoca lo stesso modello standard di potenziale d'azione nella zona di innesco. Ha sempre l'ampiezza massima per una data cellula e approssimativamente la stessa durata, non importa quante volte si ripetano le condizioni che la causano.

Essendo sorto nella zona integrativa, il potenziale d'azione si diffonde rapidamente lungo la membrana dell'assone. Ciò si verifica a causa della comparsa di una corrente elettrica locale. Poiché la sezione depolarizzata della membrana risulta essere caricata diversamente rispetto alla sua vicina, tra le sezioni polarmente cariche della membrana si forma una corrente elettrica. Sotto l'influenza di questa corrente locale, l'area circostante viene depolarizzata a un livello critico, provocando la comparsa di un potenziale d'azione in essa. Nel caso di un assone mielinizzato, tale sezione vicina della membrana è il nodo di Ranvier più vicino alla zona trigger, quindi quello successivo, e il potenziale d'azione inizia a "saltare" da un nodo all'altro ad una velocità che raggiunge 100 SM.

Neuroni diversi possono differire l'uno dall'altro in molti modi, ma i potenziali d'azione che ne derivano sono molto difficili, se non addirittura impossibili, da distinguere. Questo è un segnale altamente stereotipato in una varietà di cellule: sensoriali, interneuroni, motorie. Questa stereotipia indica che il potenziale d'azione stesso non contiene alcuna informazione sulla natura dello stimolo che lo ha generato. La forza dello stimolo è indicata dalla frequenza dei potenziali d'azione che si verificano, e recettori specifici e connessioni interneuronali ben ordinate determinano la natura dello stimolo.

Pertanto, il potenziale d'azione generato nella zona trigger si diffonde rapidamente lungo l'assone fino alla sua estremità. Questo movimento è associato alla formazione di correnti elettriche locali, sotto l'influenza delle quali il potenziale d'azione appare di nuovo nella sezione adiacente dell'assone. I parametri del potenziale d'azione quando trasportato lungo l'assone non cambiano affatto, il che consente di trasmettere le informazioni senza distorsioni. Se gli assoni di più neuroni si trovano in un fascio comune di fibre, l'eccitazione si propaga lungo ciascuno di essi separatamente.

Segnale di uscita indirizzato ad un'altra cellula o a più cellule contemporaneamente e nella stragrande maggioranza dei casi rappresenta il rilascio di un intermediario chimico: un mediatore. Nelle terminazioni presinaptiche dell'assone, il trasmettitore pre-immagazzinato è immagazzinato in vescicole sinaptiche, che si accumulano in aree speciali - zone attive. Quando il potenziale d'azione raggiunge il terminale presinaptico, il contenuto delle vescicole sinaptiche viene svuotato nella fessura sinaptica mediante esocitosi.

I mediatori chimici della trasmissione delle informazioni possono essere sostanze diverse: piccole molecole, come l'acetilcolina o il glutammato, o molecole peptidiche abbastanza grandi, tutte appositamente sintetizzate nel neurone per la trasmissione del segnale. Una volta nella fessura sinaptica, il trasmettitore diffonde nella membrana postsinaptica e si attacca ai suoi recettori. Come risultato della connessione dei recettori con il trasmettitore, la corrente ionica attraverso i canali della membrana postsinaptica cambia e ciò porta ad un cambiamento nel valore del potenziale di riposo della cellula postsinaptica, ad es. in esso si forma un segnale di ingresso, in questo caso un potenziale postsinaptico.

Pertanto, in quasi ogni neurone, indipendentemente dalla sua dimensione, forma e posizione nella catena neuronale, si possono trovare quattro aree funzionali: zona ricettiva locale, zona integrativa, zona di conduzione del segnale e zona di uscita o secretoria(Fig. 3.3).

Concentrazione di ioni all'interno e all'esterno della cellula

Quindi, ci sono due fatti che devono essere considerati per comprendere i meccanismi che mantengono il potenziale di membrana a riposo.

1 . La concentrazione di ioni potassio nella cellula è molto più elevata che nell'ambiente extracellulare. 2 . La membrana a riposo è selettivamente permeabile al K+, mentre per il Na+ la permeabilità della membrana a riposo è insignificante. Se prendiamo la permeabilità del potassio pari a 1, allora la permeabilità del sodio a riposo è solo 0,04. Quindi, c'è un flusso costante di ioni K+ dal citoplasma lungo un gradiente di concentrazione. La corrente di potassio dal citoplasma crea una relativa carenza di cariche positive sulla superficie interna; la membrana cellulare è impenetrabile per gli anioni; di conseguenza, il citoplasma cellulare si carica negativamente rispetto all'ambiente che circonda la cellula. Questa differenza di potenziale tra la cellula e lo spazio extracellulare, la polarizzazione della cellula, è chiamata potenziale di membrana a riposo (RMP).

Sorge la domanda: perché il flusso di ioni potassio non continua finché le concentrazioni dello ione all'esterno e all'interno della cellula non sono equilibrate? Va ricordato che si tratta di una particella carica, quindi il suo movimento dipende anche dalla carica della membrana. La carica negativa intracellulare, che si crea a causa del flusso di ioni potassio dalla cellula, impedisce ai nuovi ioni potassio di lasciare la cellula. Il flusso degli ioni potassio si arresta quando l'azione del campo elettrico compensa il movimento dello ione lungo il gradiente di concentrazione. Di conseguenza, per una data differenza di concentrazione degli ioni sulla membrana, si forma il cosiddetto POTENZIALE DI EQUILIBRIO del potassio. Questo potenziale (Ek) è uguale a RT/nF *ln /, (n è la valenza dello ione.) oppure

Ek=61,5 log/

Il potenziale di membrana (MP) dipende in gran parte dal potenziale di equilibrio del potassio; tuttavia, alcuni ioni sodio, così come gli ioni cloruro, penetrano ancora nella cellula a riposo. Pertanto, la carica negativa della membrana cellulare dipende dai potenziali di equilibrio di sodio, potassio e cloro ed è descritta dall'equazione di Nernst. La presenza di questo potenziale di membrana a riposo è estremamente importante perché determina la capacità della cellula di eccitarsi, una risposta specifica ad uno stimolo.

Eccitazione cellulare

IN eccitazione cellule (la transizione dallo stato di riposo a quello attivo) avviene quando aumenta la permeabilità dei canali ionici per il sodio e talvolta per il calcio. Il motivo del cambiamento di permeabilità può essere un cambiamento nel potenziale di membrana - vengono attivati ​​i canali elettricamente eccitabili e l'interazione dei recettori di membrana con una sostanza biologicamente attiva - canali controllati dal recettore e l'azione meccanica. In ogni caso, è necessario per lo sviluppo dell'eccitazione depolarizzazione iniziale - una leggera diminuzione della carica negativa della membrana, causato dall’azione di uno stimolo. Un irritante può essere qualsiasi cambiamento nei parametri dell'ambiente esterno o interno del corpo: luce, temperatura, sostanze chimiche (effetti sui recettori del gusto e olfattivi), stiramento, pressione. Il sodio si precipita nella cellula, si verifica una corrente ionica e il potenziale di membrana diminuisce - depolarizzazione membrane.

Tabella 4

Variazione del potenziale di membrana in seguito all'eccitazione cellulare.

Tieni presente che il sodio entra nella cellula lungo un gradiente di concentrazione e un gradiente elettrico: la concentrazione di sodio nella cellula è 10 volte inferiore rispetto all'ambiente extracellulare e la carica relativa all'extracellulare è negativa. Allo stesso tempo vengono attivati ​​anche i canali del potassio, ma i canali del sodio (veloci) vengono attivati ​​e inattivati ​​entro 1 - 1,5 millisecondi e i canali del potassio più a lungo.

I cambiamenti nel potenziale di membrana sono solitamente rappresentati graficamente. La figura in alto mostra la depolarizzazione iniziale della membrana - il cambiamento di potenziale in risposta all'azione di uno stimolo. Per ogni cellula eccitabile esiste un livello speciale di potenziale di membrana, al raggiungimento del quale le proprietà dei canali del sodio cambiano drasticamente. Questo potenziale si chiama livello critico di depolarizzazione (KUD). Quando il potenziale di membrana cambia in KUD, i canali del sodio veloci e dipendenti dalla tensione si aprono e un flusso di ioni sodio scorre nella cellula. Quando gli ioni caricati positivamente entrano nella cellula, la carica positiva aumenta nel citoplasma. Di conseguenza, la differenza di potenziale transmembrana diminuisce, il valore MP diminuisce fino a 0 e poi, man mano che il sodio continua a entrare nella cellula, la membrana si ricarica e la carica viene invertita (superamento) - ora la superficie diventa elettronegativa rispetto al citoplasma - la membrana è completamente DEPOLARIZZATA - foto al centro. Nessun ulteriore cambiamento di carica si verifica perché i canali del sodio sono inattivati– più sodio non può entrare nella cellula, anche se il gradiente di concentrazione cambia leggermente. Se lo stimolo ha una forza tale da depolarizzare la membrana a CUD, questo stimolo viene chiamato soglia e provoca l'eccitazione della cellula. Il potenziale punto di inversione è un segno che l'intera gamma di stimoli di qualsiasi modalità è stata tradotta nel linguaggio del sistema nervoso: impulsi di eccitazione. Gli impulsi o potenziali di eccitazione sono chiamati potenziali d'azione. Il potenziale d'azione (AP) è un rapido cambiamento nel potenziale di membrana in risposta ad uno stimolo di forza soglia. AP ha parametri di ampiezza e tempo standard che non dipendono dalla forza dello stimolo: la regola "TUTTO O NIENTE". La fase successiva è il ripristino del potenziale di membrana a riposo - ripolarizzazione(figura in basso) è dovuto principalmente al trasporto ionico attivo. Il processo più importante del trasporto attivo è il lavoro della pompa Na/K, che pompa gli ioni sodio fuori dalla cellula e contemporaneamente pompa gli ioni potassio nella cellula. Il ripristino del potenziale di membrana avviene a causa del flusso di ioni potassio dalla cellula: i canali del potassio vengono attivati ​​e consentono il passaggio degli ioni potassio fino al raggiungimento del potenziale di potassio di equilibrio. Questo processo è importante perché finché l'MPP non viene ripristinato, la cellula non è in grado di percepire un nuovo impulso di eccitazione.

L'IPERPOLARIZZAZIONE è un aumento a breve termine di MP dopo il suo ripristino, causato da un aumento della permeabilità della membrana per gli ioni potassio e cloro. L'iperpolarizzazione si verifica solo dopo l'AP e non è tipica di tutte le cellule. Proviamo ancora una volta a rappresentare graficamente le fasi del potenziale d'azione ed i processi ionici alla base delle variazioni del potenziale di membrana (Fig. 9). Sull'asse delle ascisse tracciamo i valori del potenziale di membrana in millivolt, sull'asse delle ordinate tracciamo il tempo in millisecondi.

1. Depolarizzazione della membrana in CUD: qualsiasi canale del sodio può aprirsi, a volte il calcio, sia veloce che lento, e voltaggio-dipendente e recettore-dipendente. Dipende dal tipo di stimolo e dal tipo di cellule

2. Rapido ingresso del sodio nella cellula - i canali del sodio si aprono velocemente e dipendenti dalla tensione e la depolarizzazione raggiunge il potenziale punto di inversione - la membrana viene ricaricata, il segno della carica cambia in positivo.

3. Ripristino del gradiente di concentrazione del potassio - funzionamento della pompa. I canali del potassio vengono attivati, il potassio si sposta dalla cellula all'ambiente extracellulare: inizia la ripolarizzazione, il ripristino dell'MPP

4. Depolarizzazione in tracce o potenziale in tracce negativo: la membrana è ancora depolarizzata rispetto all'MPP.

5. Traccia iperpolarizzazione. I canali del potassio rimangono aperti e la corrente aggiuntiva di potassio iperpolarizza la membrana. Successivamente la cella ritorna al livello originale di MPP. La durata dell'AP varia da 1 a 3-4 ms per celle diverse.

Figura 9 Fasi del potenziale d'azione

Prestare attenzione ai tre valori potenziali, importanti e costanti per ogni cella, alle sue caratteristiche elettriche.

1. MPP - elettronegatività della membrana cellulare a riposo, che fornisce la capacità di eccitare - eccitabilità. Nella figura MPP = -90 mV.

2. CUD - livello critico di depolarizzazione (o soglia per la generazione del potenziale d'azione di membrana) - questo è il valore del potenziale di membrana, al raggiungimento del quale si aprono veloce, canali del sodio voltaggio-dipendenti e la membrana si ricarica grazie all'ingresso di ioni sodio positivi nella cellula. Maggiore è l'elettronegatività della membrana, più difficile è depolarizzarla in CUD, meno eccitabile è tale cellula.

3. Potenziale punto di inversione (superamento) - questo valore positivo potenziale di membrana, al quale gli ioni caricati positivamente non penetrano più nella cellula - potenziale di sodio di equilibrio a breve termine. Nella figura + 30 mV. La variazione totale del potenziale di membrana da –90 a +30 sarà di 120 mV per una data cellula, questo valore è il potenziale d'azione. Se questo potenziale si manifesta in un neurone, si diffonderà lungo la fibra nervosa; se nelle cellule muscolari, si diffonderà lungo la membrana della fibra muscolare e porterà alla contrazione; nelle cellule ghiandolari, alla secrezione, all’azione cellulare. Questa è la risposta specifica della cellula all'azione dello stimolo, eccitazione.

Quando esposto a uno stimolo forza subliminale si verifica una depolarizzazione incompleta - RISPOSTA LOCALE (LO). La depolarizzazione incompleta o parziale è un cambiamento nella carica della membrana che non raggiunge il livello critico di depolarizzazione (CLD).

In questo argomento verranno discussi due cationi: sodio (Na) e potassio (K). Parlando di anioni, teniamo presente che un certo numero di anioni si trova sui lati esterno ed interno della membrana cellulare.

La forma di una cellula dipende dal tessuto a cui appartiene. A modo suo modulo le cellule possono essere:

· cilindrico e cubico (cellule della pelle);

· a forma di disco (eritrociti);

· sferici (ovuli);

· fusiforme (muscolo liscio);

· stellate e piramidali (cellule nervose);

· non avendo forma permanente - ameboidi (leucociti).

La cella ha un numero proprietà: si nutre, cresce, si moltiplica, si rigenera, si adatta all'ambiente, scambia energia e sostanze con l'ambiente e svolge le sue funzioni inerenti (a seconda del tessuto a cui appartiene la cellula). Inoltre, la cella ha eccitabilità.

Eccitabilità – È la capacità di una cellula, in risposta ad una stimolazione, di passare da uno stato di riposo ad uno stato di attività.

Le irritazioni possono provenire dall'ambiente esterno o originarsi all'interno della cellula. Gli stimoli che causano l'eccitazione possono essere: elettrici, chimici, meccanici, di temperatura e altri stimoli.

Una cellula può trovarsi in due stati principali: a riposo ed eccitata. Il riposo e l'eccitazione della cellula sono altrimenti chiamati: potenziale di membrana a riposo e potenziale d’azione di membrana.

Quando la cellula non subisce alcuna irritazione, è in uno stato di riposo. Viene anche chiamato riposo cellulare potenziale di membrana a riposo (RMP).

A riposo, la superficie interna della sua membrana è carica negativamente, mentre la superficie esterna è carica positivamente. Ciò si spiega con il fatto che all'interno della cellula sono presenti molti anioni e pochi cationi, mentre dietro la cellula, al contrario, predominano i cationi.

Poiché nella cellula sono presenti cariche elettriche, l'elettricità creata può essere misurata. Il potenziale di membrana a riposo è: - 70 mV (meno 70, poiché all'interno della cellula è presente una carica negativa). Questo valore è condizionale, poiché ogni cella può avere il proprio valore potenziale di riposo.

A riposo, i pori della membrana sono aperti agli ioni potassio e chiusi agli ioni sodio. Ciò significa che gli ioni potassio possono facilmente entrare e uscire dalla cellula. Gli ioni sodio non possono entrare nella cellula perché i pori della membrana sono chiusi per loro. Ma una piccola quantità di ioni sodio penetra nella cellula perché sono attratti da un gran numero di anioni situati sulla superficie interna della membrana (le cariche opposte si attraggono). Questo movimento di ioni è passivo , perché non richiede energia.

Per il normale funzionamento di una cella, il valore del suo MPP deve rimanere ad un livello costante. Tuttavia, il movimento degli ioni sodio e potassio attraverso la membrana provoca fluttuazioni di questo valore, che possono portare ad una diminuzione o ad un aumento del valore: - 70 mV.

Affinché il valore MPP rimanga relativamente costante, il cosiddetto pompa sodio-potassio . La sua funzione è quella di rimuovere gli ioni sodio dalla cellula e pompare gli ioni potassio nella cellula.È un certo rapporto tra ioni sodio e potassio nella cellula e dietro la cellula che crea il valore MPP richiesto. Il funzionamento della pompa è meccanismo attivo , perché richiede energia.

La fonte di energia nella cellula è l'ATP. L'ATP fornisce energia solo quando viene suddiviso in un acido più semplice - ADP, con la partecipazione obbligatoria dell'enzima ATPasi alla reazione:

ATP + enzima ATPasi ADP + energia

La membrana di tutte le cellule viventi è polarizzata. Il lato interno della membrana trasporta una carica negativa rispetto allo spazio intercellulare (Fig. 1). Viene chiamata la quantità di carica trasportata dalla membrana potenziale di membrana (MP). Nei tessuti non eccitabili la MP è bassa, circa -40 mV. Nei tessuti eccitabili è elevato, circa -60 - -100 mV e si chiama potenziale di riposo (RP).

Il potenziale di riposo, come ogni potenziale di membrana, si forma a causa della permeabilità selettiva della membrana cellulare. Come è noto, il plasmalemma è costituito da un doppio strato lipidico attraverso il quale il movimento delle molecole cariche risulta difficoltoso. Le proteine ​​incorporate nella membrana possono modificare selettivamente la permeabilità della membrana a ioni diversi, a seconda degli stimoli in arrivo. Allo stesso tempo, gli ioni potassio svolgono un ruolo di primo piano nella formazione del potenziale di riposo, oltre a loro sono importanti gli ioni sodio e cloruro.

Riso. 1. Concentrazioni e distribuzione degli ioni sui lati interno ed esterno della membrana.

La maggior parte degli ioni sono distribuiti in modo non uniforme all'interno e all'esterno della cellula (Fig. 1). All'interno della cellula, la concentrazione di ioni potassio è maggiore e gli ioni sodio e cloro sono inferiori rispetto all'esterno. A riposo la membrana è permeabile agli ioni potassio e praticamente impermeabile agli ioni sodio e cloro. Anche se il potassio può lasciare liberamente la cellula, la sua concentrazione rimane invariata a causa della carica negativa all'interno della membrana. Pertanto, sul potassio agiscono due forze in equilibrio: osmotica (gradiente di concentrazione K +) ed elettrica (carica della membrana), per cui il numero di ioni potassio che entrano nella cellula è uguale a quelli che escono. Il movimento del potassio avviene attraverso canali di perdita del potassio, aperto a riposo. La quantità di carica della membrana alla quale gli ioni potassio sono in equilibrio può essere calcolata utilizzando l'equazione di Nernst:

Dove E k è il potenziale di equilibrio per K +; R - costante del gas; T - temperatura assoluta; F - Numero di Faraday; n - valenza di K + (+1), [K + n] - [K + ext] - concentrazioni esterne e interne di K +.

Se sostituiamo i valori della tabella di Fig. 43, si ottiene quindi il valore del potenziale di equilibrio pari a circa -95 mV. Questo valore rientra nell'intervallo del potenziale di membrana delle cellule eccitabili. Differenze nel PP di cellule diverse (anche quelle eccitabili) possono verificarsi per tre ragioni:

• differenze nelle concentrazioni intracellulari ed extracellulari di ioni potassio in diversi tessuti (la tabella mostra i dati per un neurone medio);
• la sodio-potassio ATPasi può contribuire al valore di carica, poiché rimuove 3 Na+ dalla cellula in cambio di 2 K+;
• Nonostante la permeabilità minima della membrana al sodio e al cloro, questi ioni possono comunque entrare nelle cellule, anche se in modo da 10 a 100 volte peggiore del potassio.

Per tenere conto della penetrazione di altri ioni nella cellula, esiste l'equazione di Nernst-Goldmann:

Dove EM - potenziale di membrana; R- costante dei gas; T- temperatura assoluta; F- Numero di Faraday; PK, PNa E PCI- costanti di permeabilità della membrana rispettivamente per K + Na + e Cl; [A+n ], , , , [Cl - n] e [Cl - ext] - concentrazioni di K +, Na + e Cl all'esterno (n) e all'interno (nella) cellula.

Questa equazione consente di stabilire un valore PP più accurato. Tipicamente, la membrana è diversi mV meno polarizzata rispetto al potenziale di equilibrio per K+.

Potenziale d'azione (AP) può verificarsi nelle cellule eccitabili. Se l'irritazione viene applicata ad un nervo o ad un muscolo al di sopra della soglia di eccitazione, allora il PP del nervo o del muscolo diminuirà rapidamente e per un breve periodo di tempo (millisecondo) si verificherà una ricarica a breve termine della membrana: il suo lato interno si diventare caricati positivamente rispetto al lato esterno, dopodiché il PP verrà ripristinato. Questo cambiamento a breve termine nel PP che si verifica quando una cellula è eccitata è chiamato potenziale d'azione.

L'insorgenza della PD è possibile perché, a differenza degli ioni potassio, gli ioni sodio sono lontani dall'equilibrio. Se sostituiamo il sodio al posto del potassio nell'equazione di Nernst, otteniamo un potenziale di equilibrio di circa +60 mV. Durante la PD si verifica un aumento transitorio della permeabilità al Na+. Allo stesso tempo, il sodio inizierà a penetrare nella cellula sotto l'influenza di due forze: lungo il gradiente di concentrazione e lungo la carica di membrana, cercando di adattare la carica di membrana al suo potenziale di equilibrio. Il movimento del sodio viene effettuato da dipendente dalla tensione canali del sodio, che si aprono in risposta ad uno spostamento del potenziale di membrana, dopo di che essi stessi vengono inattivati.

Riso. 2. Potenziale d'azione della fibra nervosa (A) e cambiamento nella conduttività della membrana per gli ioni sodio e potassio (B).

Nella registrazione, l'AP appare come un picco a breve termine (Fig. 2), che ha diverse fasi.

1. Depolarizzazione (fase ascendente) (Fig. 2) - un aumento della permeabilità al sodio dovuto all'apertura dei canali del sodio. Il sodio cerca il suo potenziale di equilibrio, ma non lo raggiunge, poiché il canale ha il tempo di inattivarsi.
2. La ripolarizzazione è il ritorno della carica al valore del potenziale di riposo. Oltre ai canali di perdita del potassio, qui sono collegati i canali del potassio voltaggio-dipendenti (attivati ​​dalla depolarizzazione). In questo momento, il potassio lascia la cellula, ritornando al suo potenziale di equilibrio.
3. Iperpolarizzazione (non sempre) - si verifica nei casi in cui il potenziale di equilibrio del potassio supera il modulo PP. Il ritorno a PP avviene dopo il ritorno al potenziale di equilibrio per K+.

Durante AP, la polarità della carica della membrana cambia. Viene chiamata la fase AP in cui la carica della membrana è positiva superare(Fig. 2).

Per la generazione degli AP risulta essere molto importante il sistema di attivazione e inattivazione. canali del sodio voltaggio-dipendenti(Fig. 3). Questi canali hanno due porte: attivazione (porta M) e inattivazione (porta H). A riposo, il cancello M è aperto e il cancello H è chiuso. Durante la depolarizzazione della membrana, la porta M si apre rapidamente e la porta H inizia a chiudersi. Il flusso di sodio nella cellula è possibile mentre la porta M è già aperta e la porta H non si è ancora chiusa. L'ingresso del sodio provoca un'ulteriore depolarizzazione della cellula, provocando l'apertura di più canali e avviando un ciclo di feedback positivo. La depolarizzazione della membrana continuerà finché tutti i canali del sodio voltaggio-dipendenti non saranno inattivati, cosa che avviene al picco di AP. Viene chiamato il valore minimo di stimolo che porta al verificarsi della PD soglia. Pertanto, la PD risultante obbedirà alla legge “tutto o niente” e la sua entità non dipenderà dall’entità dello stimolo che ha causato la PD.

Grazie all'H-gate, l'inattivazione del canale avviene prima che il potenziale sulla membrana raggiunga il valore di equilibrio per il sodio. Dopo che il sodio smette di entrare nella cellula, avviene la ripolarizzazione a causa degli ioni di potassio che lasciano la cellula. Inoltre, in questo caso, ai canali di perdita sono collegati anche canali del potassio attivati ​​tramite tensione. Durante la ripolarizzazione, il canale veloce del sodio chiude rapidamente il cancello M. Il cancello H si apre molto più lentamente e rimane chiuso per qualche tempo dopo che la carica ritorna al potenziale di riposo. Questo periodo viene solitamente chiamato periodo refrattario.

Riso. 3. Funzionamento del canale del sodio voltaggio-dipendente.

La concentrazione di ioni all'interno della cellula viene ripristinata dall'ATPasi sodio-potassio che, con il dispendio di energia sotto forma di ATP, pompa 3 ioni sodio dalla cellula e pompa 2 ioni potassio.

Lungo la fibra non mielinizzata oppure il potenziale d'azione si propaga continuamente lungo la membrana muscolare. Il potenziale d'azione risultante dovuto al campo elettrico è in grado di depolarizzare la membrana dell'area vicina fino ad un valore soglia, a seguito del quale si verifica la depolarizzazione nell'area vicina. Il ruolo principale nell'emergere del potenziale in una nuova sezione della membrana è la sezione precedente. In questo caso, in ogni sito, immediatamente dopo la PD, inizia un periodo refrattario, a causa del quale la PD si diffonde unidirezionalmente. A parità di altre condizioni, la propagazione di un potenziale d'azione lungo un assone non mielinizzato avviene tanto più velocemente quanto maggiore è il diametro della fibra. Nei mammiferi la velocità è di 1-4 m/s. Poiché gli animali invertebrati sono privi di mielina, le velocità AP negli assoni dei calamari giganti possono raggiungere i 100 m/s.

Lungo la fibra mielinizzata Il potenziale d'azione si propaga spasmodicamente (conduzione saltatoria). Le fibre mielinizzate sono caratterizzate da una concentrazione di canali ionici voltaggio-dipendenti solo nelle aree dei nodi di Ranvier; qui la loro densità è 100 volte maggiore che nelle membrane delle fibre amieliniche. Non ci sono quasi canali voltaggio-dipendenti nell'area degli accoppiamenti mielinici. Il potenziale d'azione che nasce in un nodo di Ranvier, a causa del campo elettrico, depolarizza la membrana dei nodi vicini a un valore di soglia, che porta all'emergere di nuovi potenziali d'azione in essi, cioè l'eccitazione passa spasmodicamente, da uno nodo ad un altro. Se un nodo di Ranvier è danneggiato, il potenziale d'azione eccita il 2°, 3°, 4° e anche il 5°, poiché l'isolamento elettrico creato dai manicotti mielinici riduce la dissipazione del campo elettrico. La conduzione saltatoria aumenta la velocità di conduzione AP di 15-20 volte fino a 120 m/s.

https://shishadrugs.com Il lavoro dei neuroni

Il sistema nervoso è costituito da neuroni e cellule gliali. Tuttavia, i neuroni svolgono il ruolo principale nella conduzione e trasmissione degli impulsi nervosi. Ricevono informazioni da molte cellule lungo i dendriti, le analizzano e le trasmettono o non le trasmettono al neurone successivo.

La trasmissione degli impulsi nervosi da una cellula all'altra viene effettuata utilizzando le sinapsi. Esistono due tipi principali di sinapsi: elettriche e chimiche (Fig. 4). Il compito di ogni sinapsi è trasmettere informazioni da membrana presinaptica(membrana dell'assone) su postsinaptico(membrana di un dendrite, di un altro assone, di un muscolo o di un altro organo bersaglio). La maggior parte delle sinapsi nel sistema nervoso si formano tra i terminali degli assoni e i dendriti, che formano spine dendritiche nell'area della sinapsi.

Vantaggio sinapsi elettricaè che il segnale da una cellula all'altra passa senza ritardo. Inoltre, tali sinapsi non si stancano. Per fare ciò, le membrane pre e postsinaptiche sono collegate da ponti trasversali, attraverso i quali gli ioni da una cellula possono spostarsi verso un'altra. Tuttavia, uno svantaggio significativo di tale sistema è la mancanza di trasmissione PD unidirezionale. Può cioè trasmettersi sia dalla membrana presinaptica a quella postsinaptica, sia viceversa. Pertanto, un tale disegno si trova abbastanza raramente e principalmente nel sistema nervoso degli invertebrati.

Riso. 4. Schema della struttura delle sinapsi chimiche ed elettriche.

Sinapsi chimica molto comune in natura. O è più complicato, poiché è necessario un sistema per convertire un impulso elettrico in un segnale chimico, e poi nuovamente in un impulso elettrico. Tutto ciò porta all'emergenza ritardo sinaptico, che può essere 0,2-0,4 ms. Inoltre, può verificarsi un esaurimento della sostanza chimica, causando un affaticamento della sinapsi. Tuttavia, tale sinapsi garantisce la trasmissione unidirezionale dei potenziali d'azione, che è il suo principale vantaggio.

Riso. 5. Schema di funzionamento (a) e micrografia elettronica (b) di una sinapsi chimica.

Nello stato di riposo, il terminale dell'assone, o terminale presinaptico, contiene vescicole di membrana (vescicole) con un neurotrasmettitore. La superficie delle vescicole è caricata negativamente per impedire il legame con la membrana ed è rivestita con speciali proteine ​​coinvolte nel rilascio delle vescicole. Ogni fiala contiene la stessa quantità di una sostanza chimica chiamata quantistico neurotrasmettitore. I neurotrasmettitori hanno una struttura chimica molto diversa, tuttavia la maggior parte di essi viene prodotta direttamente alla fine. Pertanto, può contenere sistemi per la sintesi di un mediatore chimico, nonché l'apparato di Golgi e i mitocondri.

Membrana postsinaptica contiene recettori al neurotrasmettitore. I recettori possono assumere la forma di canali ionici che si aprono al contatto con il loro ligando ( ionotropico) e proteine ​​di membrana che innescano una cascata intracellulare di reazioni ( metabotropico). Un neurotrasmettitore può avere diversi recettori ionotropi e metabotropi. Allo stesso tempo, alcuni di essi possono essere eccitanti e altri possono essere inibitori. Pertanto, la risposta di una cellula a un neurotrasmettitore sarà determinata dal tipo di recettore sulla sua membrana e cellule diverse possono rispondere in modo molto diverso alla stessa sostanza chimica.

Tra la membrana pre e postsinaptica si trova fessura sinaptica, largo 10-15 nm.

Quando un AP arriva al terminale presinaptico, su di esso si aprono i canali del calcio attivati ​​dal voltaggio e gli ioni calcio entrano nella cellula. Il calcio si lega alle proteine ​​sulla superficie delle vescicole, che porta al loro trasporto alla membrana presinaptica, seguito dalla fusione della membrana. Dopo tale interazione, il neurotrasmettitore finisce nella fessura sinaptica (Fig. 5) e può contattare il suo recettore.

I recettori ionotropi sono canali ionici attivati ​​dal ligando. Ciò significa che il canale si apre solo in presenza di una determinata sostanza chimica. Per diversi neurotrasmettitori, questi possono essere canali del sodio, del calcio o del cloruro. La corrente di sodio e calcio provoca la depolarizzazione della membrana, motivo per cui tali recettori sono chiamati eccitatori. La corrente di cloruro porta all'iperpolarizzazione, il che rende difficile la generazione di AP. Pertanto, tali recettori sono chiamati inibitori.

I recettori dei neurotrasmettitori metabotropici appartengono alla classe dei recettori associati alle proteine ​​G (GPCR). Queste proteine ​​innescano varie cascate intracellulari di reazioni, che alla fine portano a un'ulteriore trasmissione dell'eccitazione o dell'inibizione.

Dopo la trasmissione del segnale, è necessario rimuovere rapidamente il neurotrasmettitore dalla fessura sinaptica. Per fare ciò, nello spazio vuoto sono presenti enzimi che scompongono il neurotrasmettitore oppure i trasportatori che pompano il neurotrasmettitore nelle cellule possono essere localizzati nel terminale presinaptico o nelle cellule gliali vicine. In quest'ultimo caso può essere riutilizzato.

Ogni neurone riceve impulsi da 100 a 100.000 sinapsi. Una singola depolarizzazione su un dendrite non porterà ad un'ulteriore trasmissione del segnale. Un neurone può ricevere contemporaneamente molti stimoli eccitatori e inibitori. Tutti loro sono riassunti sul soma del neurone. Questa sommatoria si chiama spaziale. Inoltre, la PD può verificarsi o meno (a seconda dei segnali ricevuti) nell'area collinetta dell'assone. La collinetta dell'assone è la regione dell'assone adiacente al soma e ha una soglia minima del potenziale d'azione. Successivamente, l'impulso si diffonde lungo l'assone, la cui estremità può ramificarsi fortemente e formare sinapsi con molte cellule. Oltre allo spazio, c'è sommatoria temporale. Si verifica quando si ricevono impulsi ripetuti frequentemente da un dendrite.

Oltre alle classiche sinapsi tra assoni e dendriti o loro spine, esistono anche sinapsi che modulano la trasmissione in altre sinapsi (Fig. 6). Questi includono le sinapsi asso-assonali. Tali sinapsi possono potenziare o inibire la trasmissione sinaptica. Cioè, se un AP arriva all'estremità dell'assone che forma la sinapsi asso-spina, e in quel momento un segnale inibitorio arriva attraverso la sinapsi asso-assone, il rilascio del neurotrasmettitore nella sinapsi asso-spina non avverrà. verificarsi. Le sinapsi asso-dendritiche possono modificare la conduzione delle membrane AP nel percorso dalla colonna vertebrale al soma cellulare. Esistono anche sinapsi asso-somatiche che possono influenzare la somma del segnale nella regione somatica del neurone.

Pertanto, esiste un'enorme varietà di sinapsi diverse, che differiscono nella composizione dei neurotrasmettitori, dei recettori e nella loro posizione. Tutto ciò garantisce una varietà di reazioni e plasticità del sistema nervoso.

Riso. 6. Diversità delle sinapsi nel sistema nervoso.