10-Ma’ruza. Harakat potensialining tuzilishi

10-Ma’ruza. Harakat potensiali. Harakat potensialining tuzilishi.
REJA:

1. 
   Harakat potensialining tuzilishi..
   
2. 
   Na+ - K+ ion nasosi. Na, K-ATFaza. Na, KATFazaning reaksion sikli.
   
3. 
   Sinaptik va sinaptik jaryonlar.
   

Tayanch iboralar: Nipofinnik, potensialning chegara bo’limidagi kattaligi, fazodagi ionlar konsentratsiyasi va fazaning dielektr o’tkazuvchanligiga bog’liq konstanta, ekranlash masofasi, elektrokinetik potensial, elektrokinetik hodisalar, Donnan potensiali, tinchlik potensiali, Bernshteyn gipotezasi, Nernst tenglamasi, Na, K, - ATFaza.
Membrananing faol xususiyatlari, asosan, kuchlanishga bog'liq natriy (Na +) va kaliy (K +) kanallarining xatti-harakatlariga asoslangan harakat potentsialining paydo bo'lishini ta'minlaydi. AP ning dastlabki bosqichi kirish natriy oqimi bilan hosil bo'ladi, keyinchalik kaliy kanallari ochiladi va chiqish K+ oqimi membrana potentsialini dastlabki darajaga qaytaradi. Keyin ionlarning dastlabki kontsentratsiyasi natriy-kaliy nasosi tomonidan tiklanadi.
PD jarayonida kanallar davlatdan holatga o'tadi: Na + kanallarida uchta asosiy holat mavjud - yopiq, ochiq va faol bo'lmagan (aslida hamma narsa murakkabroq, ammo tavsif uchun bu uchta holat etarli), ichida K + kanallari ikkita - yopiq va ochiq.
TPni shakllantirishda ishtirok etuvchi kanallarning xatti-harakati o'tkazuvchanlik nuqtai nazaridan tavsiflanadi va uzatish (o'tkazish) koeffitsientlari bo'yicha hisoblanadi.
Harakat potensialining molekulyar mexanizmlari
Membrananing faol xususiyatlari, asosan, kuchlanishga bog'liq natriy (Na +) va kaliy (K +) kanallarining xatti-harakatlariga asoslangan harakat potentsialining paydo bo'lishini ta'minlaydi. AP ning dastlabki bosqichi kirish natriy oqimi bilan hosil bo'ladi, keyinchalik kaliy kanallari ochiladi va chiqish K+ oqimi membrana potentsialini dastlabki darajaga qaytaradi. Keyin ionlarning dastlabki kontsentratsiyasi natriy-kaliy nasosi tomonidan tiklanadi.
PD jarayonida kanallar davlatdan holatga o'tadi: Na + kanallarida uchta asosiy holat mavjud - yopiq, ochiq va faol bo'lmagan (aslida hamma narsa murakkabroq, ammo tavsif uchun bu uchta holat etarli), ichida K + kanallari ikkita - yopiq va ochiq.
TPni shakllantirishda ishtirok etuvchi kanallarning xatti-harakati o'tkazuvchanlik nuqtai nazaridan tavsiflanadi va uzatish (o'tkazish) koeffitsientlari bo'yicha hisoblanadi.
Transfer koeffitsientlari Alan Lloyd Xojkin va Endryu Xaksli tomonidan ishlab chiqilgan.
Bir maydon uchun kaliy G K uchun o'tkazuvchanlik Natriy G Na uchun maydon birligi uchun o'tkazuvchanlik hisoblash qiyinroq, chunki yuqorida aytib o'tilganidek, kuchlanishga bog'liq Na + kanallarida, yopiq / ochiq holatlar bundan mustasno, ular orasidagi o'tish parametr bo'lgan, hali ham faol bo'lmagan / hech qanday tarzda inaktiv bo'lmagan holatlar, o'rtasidagi o'tish parametr orqali tavsiflanadi
Tadqiqot usullari
Qo'zg'alishning membrana nazariyasining asosiy qoidalari nemis neyrofiziologi J. Bernshteyn tomonidan ishlab chiqilgan.
1902 yilda Yuliy Bernshteyn gipotezani ilgari surdi, unga ko'ra hujayra membranasi K + ionlarining hujayra ichiga kirishiga imkon beradi va ular sitoplazmada to'planadi. Kaliy elektrodi uchun Nernst tenglamasi bo'yicha dam olish potentsialini hisoblash mushak sarkoplazmasi va atrof-muhit o'rtasidagi o'lchangan potentsial bilan qoniqarli ravishda mos keldi, bu taxminan -70 mV. Yu.Bernshteyn nazariyasiga ko'ra, hujayra qo'zg'alganda uning membranasi shikastlanadi va K + ionlari membrana potensiali nolga teng bo'lgunga qadar konsentratsiya gradienti bo'ylab hujayradan chiqib ketadi. Keyin membrana o'zining yaxlitligini tiklaydi va potentsial dam olish potentsiali darajasiga qaytadi.
Ushbu model 1952 yilda Alan Lloyd Xodgkin va Endryu Xaksli tomonidan ishlab chiqilgan bo'lib, ular kalamar gigant aksonida nerv signalining hosil bo'lishi va uzatilishini belgilovchi elektr mexanizmlarini tasvirlab bergan. Buning uchun model mualliflari 1963 yilda fiziologiya yoki tibbiyot bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi. Model Xodgkin-Xuksli modeli deb ataladi. 2005 yilda Tomas Geymburg va Anryu D. Jekson signal neyronlar orqali solitonlar - hujayra membranasi bo'ylab tarqaladigan barqaror to'lqinlar shaklida tarqaladi degan farazga asoslangan soliton modelini taklif qildilar. Harakat potentsiallari hujayra membranasida maxsus turdagi kuchlanishli ion kanallarining mavjudligidan kelib chiqadi . Voltajli ion kanali uchta asosiy xususiyatga ega bo'lgan transmembran oqsilidir:
U bir nechta konformatsiyalarni qabul qilishga qodir.
Konformatsiyalarning kamida bittasi membrana orqali ma'lum turdagi ionlar uchun o'tkazuvchan kanal hosil qiladi. Konformatsiyalar orasidagi o'tishga membrana salohiyati ta'sir qiladi. Shunday qilib, kuchlanish bilan qoplangan ion kanali membrana potentsialining ba'zi qiymatlari uchun ochiq, boshqalari uchun esa yopiq bo'ladi. Biroq, aksariyat hollarda, membrana potentsiali va kanal holati o'rtasidagi bog'liqlik ehtimollikdir va vaqtni kechiktirishni o'z ichiga oladi. Ion kanallari oldindan aytib bo'lmaydigan vaqtlarda konformatsiyalar o'rtasida almashinadi: Membran potentsiali o'tish tezligini va har bir o'tish turining birlik vaqtiga ehtimolini belgilaydi.
Akson bo'ylab harakat potentsialining tarqalishi Voltajli ion kanallari harakat potentsiallarini ishlab chiqarishga qodir, chunki ular ijobiy qayta aloqa halqalarini keltirib chiqarishi mumkin: Membran potentsiali ion kanallarining holatini boshqaradi, lekin ion kanallarining holati membrana potentsialini boshqaradi. Shunday qilib, ba'zi hollarda membrana potentsialining ko'tarilishi ion kanallarining ochilishiga olib kelishi mumkin, bu esa membrana potentsialining yanada oshishiga olib keladi. Harakat potentsiali ushbu ijobiy teskari aloqa tsikli ( Xodgkin tsikli) portlovchi tarzda davom etadi. Harakat potentsialining vaqti va amplitudali traektori uni ishlab chiqaradigan kuchlanishli ion kanallarining biofizik xususiyatlari bilan belgilanadi. Harakat potentsialini yaratish uchun zarur bo'lgan ijobiy fikr bildirishga qodir bo'lgan bir necha turdagi kanallar mavjud. Kuchlanishga bog'langan natriy kanallari asab o'tkazuvchanligi bilan bog'liq tezkor harakat potentsiallari uchun javobgardir. Mushak hujayralarida va ba'zi turdagi neyronlarda sekinroq ta'sir potentsiallari kuchlanish bilan o'ralgan kaltsiy kanallari tomonidan hosil bo'ladi. Ushbu turlarning har biri turli xil kuchlanish sezuvchanligi va har xil vaqtinchalik dinamika bilan bir nechta variantda keladi. Voltajga bog'liq bo'lgan ion kanallarining eng intensiv o'rganilgan turi asabni tez o'tkazishda ishtirok etadigan natriy kanallarini o'z ichiga oladi. Ular ba'zan Xodgkin-Xuksli natriy kanallari deb nomlanadi, chunki ular birinchi marta Alan Xodgkin va Endryu Xaksli tomonidan harakat potentsialining biofizikasi bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan tadqiqotlarida tavsiflangan, ammo qulayroq Na V kanallari deb atash mumkin. ("V" "kuchlanish" degan ma'noni anglatadi.) Na V kanali o'chirilgan , faollashtirilgan va faolsiz deb nomlanuvchi uchta mumkin bo'lgan holatga ega . Kanal faollashganda faqat natriy ionlari uchun o'tkazuvchan bo'ladidavlat. Membrananing potentsiali past bo'lganda, kanal o'zining ko'p vaqtini o'chirilgan (yopiq) holatda o'tkazadi. Agar membrana potentsiali ma'lum darajadan yuqori bo'lsa, kanal faollashtirilgan (ochiq) holatga o'tish ehtimolini oshiradi. Membrananing potentsiali qanchalik yuqori bo'lsa, faollashuv ehtimoli shunchalik yuqori bo'ladi. Kanal faollashtirilgandan so'ng, u oxir-oqibat faol bo'lmagan (yopiq) holatga o'tadi. Keyin u bir muncha vaqt inaktiv bo'lib qolishga intiladi, lekin agar membrana potentsiali yana past bo'lsa, kanal oxir-oqibat o'chirilgan holatga qaytadi . Harakat potentsiali vaqtida ushbu turdagi kanallarning aksariyati o'chirilgan → faollashtirilgan tsikldan o'tadi→ faolsizlantirilgan → o'chirilgan . Biroq, bu faqat aholining o'rtacha xatti-harakati - individual kanal printsipial jihatdan istalgan vaqtda istalgan o'tishni amalga oshirishi mumkin. Biroq, kanalning faolsizlangan holatdan to'g'ridan-to'g'ri faollashtirilgan holatga o'tish ehtimoli juda past: Faol bo'lmagan holatdagi kanal o'chirilgan holatga qaytgunga qadar o'tga chidamli bo'ladi .
Bularning barchasining natijasi shundaki, Na V kanallarining kinetikasi o'tish matritsasi tomonidan boshqariladi, uning tezligi murakkab tarzda kuchlanishga bog'liq. Ushbu kanallarning o'zi kuchlanishni aniqlashda katta rol o'ynaganligi sababli, tizimning global dinamikasini ishlab chiqish juda qiyin bo'lishi mumkin. Xojkin va Xaksli muammoga Hodgkin-Xuksli tenglamalari deb nomlanuvchi ion kanali holatlarini boshqaruvchi parametrlar uchun differentsial tenglamalar to‘plamini ishlab chiqish orqali yondashdilar . Ushbu tenglamalar keyingi tadqiqotlar natijasida keng ko'lamda o'zgartirildi, ammo harakat potentsiali biofizikasining ko'pgina nazariy tadqiqotlari uchun boshlang'ich nuqtani tashkil qiladi.
Harakat potentsiali vaqtida ion harakati.
Kalit: a) natriy (Na + ) ioni. b) kaliy (K + ) ioni. c) natriy kanali. d) kaliy kanali. e) Natriy-kaliyli nasos.
Harakat potentsialining bosqichlarida neyron membranasining o'tkazuvchanligi o'zgaradi. Tinch holatda natriy va kaliy ionlarining membranadan o'tish qobiliyati cheklangan, neyron esa ichida aniq manfiy zaryadga ega. Harakat potentsiali ishga tushirilgach, depolarizatsiya neyron natriy kanallarini faollashtiradi, bu natriy ionlarining hujayra membranasi orqali hujayra ichiga o'tishiga imkon beradi, natijada hujayradan tashqari suyuqlikka nisbatan neyronda aniq musbat zaryad paydo bo'ladi. Harakat potentsiali cho'qqisiga erishilgandan so'ng, neyron repolyarizatsiyani boshlaydi , bu erda natriy kanallari yopiladi va kaliy kanallari ochiladi, bu kaliy ionlarining membranani hujayradan tashqari suyuqlikka o'tishiga imkon beradi va membrana potentsialini salbiy qiymatga qaytaradi. Nihoyat, o'tga chidamli davr mavjud bo'lib, bu davrda kuchlanishga bog'liq ion kanallari inaktivlanadi , Na + va K +ionlar membrana bo'ylab dam olish holatiga qaytadi va neyron keyingi harakat potentsiali uchun jarayonni takrorlashga tayyor.
Membrananing potentsiali oshishi bilan natriy ionlari kanallari ochilib, natriy ionlarining hujayra ichiga kirishiga imkon beradi. Shundan so'ng kaliy ionlarining hujayradan chiqishiga imkon beruvchi kaliy ion kanallari ochiladi. Natriy ionlarining ichki oqimi hujayradagi musbat zaryadlangan kationlarning kontsentratsiyasini oshiradi va depolarizatsiyani keltirib chiqaradi, bu erda hujayraning potentsiali hujayraning dam olish potentsialidan yuqori bo'ladi.. Natriy kanallari harakat potentsialining eng yuqori nuqtasida yopiladi, kaliy esa hujayradan chiqib ketishda davom etadi. Kaliy ionlarining chiqishi membrana potentsialini pasaytiradi yoki hujayrani giperpolyarizatsiya qiladi. Dam olishdan kichik kuchlanish kuchayishi uchun kaliy oqimi natriy oqimidan oshib ketadi va kuchlanish odatdagi dam olish qiymatiga qaytadi, odatda -70 mV. Biroq, agar kuchlanish kritik chegaradan oshib ketsa, odatda dam olish qiymatidan 15 mV yuqori bo'lsa, natriy oqimi ustunlik qiladi. Bu natriy oqimining ijobiy teskari aloqasi ko'proq natriy kanallarini faollashtiradigan qochib ketadigan holatga olib keladi. Shunday qilib, hujayra yonib , harakat potentsialini hosil qiladi. Neyronning harakat potentsiallarini keltirib chiqaradigan chastotasi ko'pincha otish tezligi yoki asabiy otish tezligi deb ataladi .
Harakat potentsiali jarayonida kuchlanish bilan bog'langan kanallarning ochilishi natijasida hosil bo'lgan oqimlar, odatda, dastlabki ogohlantiruvchi oqimdan sezilarli darajada kattaroqdir. Shunday qilib, harakat potentsialining amplitudasi, davomiyligi va shakli qo'zg'atuvchining amplitudasi yoki davomiyligi bilan emas, balki qo'zg'atuvchi membrananing xususiyatlari bilan belgilanadi. Harakat potentsialining bu yaxlit yoki hech narsa xususiyati uni retseptor potentsiallari , elektrotonik potentsiallar , chegara ostidagi membrana potentsial tebranishlari va sinaptik potentsiallar kabi darajali potentsiallardan ajratib turadi., qaysi rag'batlantirish kattaligi bilan o'lchov. Har xil ta'sir potentsial turlari ko'plab hujayra turlari va hujayra bo'linmalarida mavjud bo'lib, ular kuchlanish bilan o'ralgan kanallar, oqish kanallari , kanal taqsimoti, ion konsentratsiyasi, membrana sig'imi, harorat va boshqa omillar bilan belgilanadi.
Harakat potentsialida ishtirok etuvchi asosiy ionlar natriy va kaliy kationlaridir; natriy ionlari hujayra ichiga kiradi, kaliy ionlari esa muvozanatni tiklaydi. Membrananing kuchlanishi keskin o'zgarishi uchun nisbatan kam sonli ionlar membranani kesib o'tishi kerak. Harakat potentsiali davomida almashinadigan ionlar, shuning uchun ichki va tashqi ion kontsentratsiyasida ahamiyatsiz o'zgarishlarga olib keladi. O'zaro o'tadigan bir nechta ionlar natriy-kaliy nasosining uzluksiz ta'sirida yana pompalanadi , bu boshqa ion tashuvchilar bilan membrana bo'ylab ion konsentratsiyasining normal nisbatini saqlaydi. Kaltsiy kationlari va xlorid anionlari bir necha turdagi ta'sir potentsiallarida ishtirok etadilar, masalanyurak ta'sir potentsiali va mos ravishda bitta hujayrali suv o'tlari Acetabulariadagi harakat potentsiali. Harakat potentsiallari qo'zg'aluvchan membrananing yamoqlarida lokal ravishda hosil bo'lsa-da, hosil bo'lgan oqimlar membrananing qo'shni qismlarida harakat potentsiallarini qo'zg'atishi mumkin va bu dominoga o'xshash tarqalishni cho'ktiradi. Elektr potentsiallarining passiv tarqalishidan (elektronik potentsial) farqli o'laroq , harakat potentsiallari membrananing qo'zg'aluvchan qismlari bo'ylab yangidan hosil bo'ladi va parchalanmasdan tarqaladi. Aksonlarning miyelinlangan qismlari qo'zg'aluvchan emas va harakat potentsialini yaratmaydi va signal elektrotonik potentsial sifatida passiv ravishda tarqaladi . Ranvier tugunlari deb ataladigan muntazam ravishda joylashgan miyelinsiz yamalar signalni kuchaytirish uchun harakat potentsiallarini yaratadi. Tuzli o'tkazuvchanlik sifatida tanilgan, bu turdagi signal tarqalishi signal tezligi va akson diametrining qulay almashinuvini ta'minlaydi. Akson terminallarining depolarizatsiyasi, umuman olganda, neyrotransmitterning sinaptik yoriqga chiqarilishini keltirib chiqaradi . Bundan tashqari, neokorteksda hamma joyda joylashgan piramidal neyronlarning dendritlarida orqaga tarqaladigan harakat potentsiallari qayd etilgan . Ular vaqt oralig'iga bog'liq bo'lgan plastisiyada rol o'ynaydi deb hisoblanadi .
Xodjkin - Xuksli membrana sig'im modelida harakat potentsialining o'tish tezligi aniqlanmagan va qo'shni hududlar qo'shni kanallar bilan bo'shatilgan ion aralashuvi tufayli depolarizatsiya qilingan deb taxmin qilingan. Ion diffuziyasi va radiusi o'lchovlari shundan beri bu mumkin emasligini ko'rsatdi. Bundan tashqari , entropiya o'zgarishlarining qarama-qarshi o'lchovlari va vaqt sig'im modelini yakka o'zi harakat qilgani uchun bahslashdi . [ iqtibos keltirish kerak ] Shu bilan bir qatorda, Gilbert Lingning adsorbsion gipotezasi tirik hujayraning membrana potentsiali va harakat potentsiali harakatlanuvchi ionlarning hujayralarning adsorbsion joylariga adsorbsiyasi bilan bog'liqligini ta'kidlaydi. Harakat potentsialining elektr xususiyatlarining etukligi Neyronning harakat potentsialini yaratish va targ'ib qilish qobiliyati rivojlanish jarayonida o'zgaradi . Neyronning membrana potentsialining oqim impulsi natijasida qanchalik o'zgarishi membrananing kirish qarshiligiga bog'liq . Hujayra o'sishi bilan membranaga ko'proq kanallar qo'shiladi, bu esa kirish qarshiligining pasayishiga olib keladi. Yetuk neyron ham sinaptik oqimlarga javoban membrana potentsialida qisqaroq o'zgarishlarga uchraydi. Ferret lateral genikulyatsiya yadrosidagi neyronlar P0 da P30 da bo'lganidan ko'ra ko'proq vaqt doimiy va kattaroq kuchlanish og'ishiga ega. Harakat potentsialining davomiyligining qisqarishining oqibatlaridan biri shundaki, signalning ishonchliligi yuqori chastotali stimulyatsiyaga javoban saqlanishi mumkin. Yetilmagan neyronlar yuqori chastotali stimulyatsiyadan so'ng potentsiyaga qaraganda sinaptik depressiyaga ko'proq moyil bo'ladi.
Ko'pgina organizmlarning erta rivojlanishida harakat potentsiali aslida natriy oqimi emas, balki kaltsiy oqimi tomonidan amalga oshiriladi . Rivojlanish jarayonida kaltsiy kanallarining ochilishi va yopilishi kinetikasi etuk neyronlarda harakat potentsialini olib yuradigan kuchlanish bilan bog'langan natriy kanallariga qaraganda sekinroqdir. Kaltsiy kanallarining uzoqroq ochilish vaqtlari etuk neyronlarga qaraganda ancha sekinroq harakat potentsialiga olib kelishi mumkin. Ksenopus neyronlari dastlab 60–90 ms davom etadigan harakat potentsialiga ega. Rivojlanish jarayonida bu vaqt 1 ms gacha kamayadi. Bunday keskin pasayishning ikkita sababi bor. Birinchidan, ichki oqim asosan natriy kanallari orqali tashiladi. Ikkinchidan, kechiktirilgan rektifikator , kaliy kanali oqimi, dastlabki quvvatidan 3,5 baravar ko'payadi.
Kaltsiyga bog'liq ta'sir potentsialidan natriyga bog'liq harakat potentsialiga o'tish uchun membranaga yangi kanallar qo'shilishi kerak. Ksenopus neyronlari RNK sintezi yoki oqsil sintezi inhibitörleri bo'lgan muhitda o'stirilsa, bu o'tishning oldini oladi. Hatto hujayraning elektr faolligi ham kanal ifodasida rol o'ynashi mumkin. Agar Xenopus miyositlaridagi harakat potentsiallari bloklangan bo'lsa, natriy va kaliy oqimi zichligining odatiy ortishi oldini oladi yoki kechiktiriladi.
Elektr xususiyatlarining bunday etukligi turlarda kuzatiladi. Ksenopus natriy va kaliy oqimlari neyron mitozning oxirgi bosqichidan o'tgandan so'ng keskin ortadi . Sichqonlarning kortikal neyronlarining natriy oqimining zichligi tug'ruqdan keyingi dastlabki ikki hafta ichida 600% ga oshadi.
Sinov savollari.

1. 
   Harakat potensialining uzatilish mexanizmlari.
   
2. 
   Nerv tolasining kabel xossalari.
   
3. 
   Sinapslar, ularning tuzilishi va funksiyasi bo’yicha klassifikasi­yasi.
   
4. 
   Sinaptik jarayonlar, qo’zg’atuvchi va tormozlovchi postsinaptik potensiallar, yuzaga kelish mexanizmlari.