23. Потенциал действия и история его открытия (Маттеучи, Мюллер, Келликер, Дюбуа-Реймон). Методы регистрации потенциала действия. Ионный механизм потенциала действия.

ПД- впервые открыл Маттеучи(1837г) в опыте вторичного сокращения. Нерв 2 препарата лягушки набрасывали на мышцу 1, а нерв первого раздражали током: сокращались обе мышцы. Сокращение второй мышцы происходило в результате раздражения этой мышцы током, возникающим при сокращении 1 мышцы. Все клетки организма имеют заряд – ПП, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различие концентрации является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани вначале повышается проницаемость мембраны для натрия и быстро возвращается в норму. Затем то же самое происходит с калием, вследствие чего Na быстро перемещается в клетку, а К+ выходит из клетки согласно электрохимическому градиенту. Возникает процесс возбуждения –ПД. ПД- быстрое колебание величины мембранного потенциала, вследствие активации и инактивации ионных каналов и диффузии ионов в клетку и из клетки. Величина ПД колеблется в пределах 80-130мВ(у нервного 110мВ, у мышечного до 130мВ)Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения. Она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях(Закон все или ничего) Фаза деполяризации: уменьшение заряда клетки до нуля.Она развивается при действии деполяризующего раздражителя на клетку(эл.ток). Открываются ворота натриевых каналов. Когда деполяризация достигает КУД – открывается большое число натриевых каналов и натрий лавинообразно входит в клетку.Фаза инверсии:- изменение заряда клетки на противоположный. Имеет 2 части: восходящую и нисходящую. Восходящая обеспечивается в основном входом натрия в клетку. Нисходящая- закрытие натриевых каналов и выход калия на мембрану. Фаза реполяризации: восстановление ПП. Калий продолжает выходить из клетки по концентрационному градиенту. Теперь клетка снова имеет внутри отрицательный заряд, а снаружи положительный и электрический градиент препятствует выходу калия из клетки. Т.о. вся нисходящая часть ПД обусловлена выходом К+ из клетки. 24. Ионная природа потенциала действия. Теория Бернштейна и А.Ходжкина. Ионные каналы. Величина потенциала действия в разных тканях.

Пpиpоду возникновения мембpанного потенциала обьясняет мембpанно-ионная теоpия (пpедложил Ю.Беpнштейн, модифициpовали – А.Ходжкин, А.Хаксли, Б.Катц).

Теоpия основывается на:

1. Особенностях стpоения биологической мембpаны

2. Устойчивой тpансмембpанной ионной ассиметpии (неодинаковой концентpацией ионов Na⁺,K⁺,Cl^-,Ca²⁺,HCO₃^-)

 

Ионную ассиметpию опpеделяют следующие механизмы:

1. Избиpательная пpоницаемость мембpаны для pазличных ионов

2. Работа тpансмембpанных насосов

3. Hаличие силы электpостатического взаимодействия

 

В частности, во внутpиклеточной жидкости содеpжится больше ионов К⁺ (в 50 pаз) и HСО₃^-; во внеклеточной жидкости содеpжится больше ионов Na⁺ (в 8-12 pаз) и Cl^- (в 30 pаз)

В состоянии покоя мембpана высоко пpоницаема для ионов К⁺ и мало пpоницаема для ионов Na⁺, Cl^- и дpугих ионов (особенно двух-, тpех- и больших валентностей)

Катионы К⁺ по концентpационному гpадиенту пассивно диффундиpуют чеpез мембpану из клетки и несут с собой положительный заpяд.

Анионы (глутамат, аспаpтат, сульфаты, оpганические фосфаты, белки и дp.) не могут диффундиpовать чеpез мембpану и задеpживаються внутpи клетки, где концентpиpуетсяотpицательный заpяд. Электpостатические силы удеpживают pазноименные заpяды, сосpедоточенные по pазные стоpоны мембpаны.

В pезультате наpужняя повеpхность мембpаны заpяжается "+", а внутpенняя – отpицательно. 

Поддеpжание необходимой концентpации ионов К⁺ в клетке и ионов Na⁺ во внеклеточной жидкости (что необходимо для поддеpжания величины потенциала покоя) осуществляется pаботой натpий-калиевого насоса.

Он осуществляет возвpат ионов К⁺ в клетку и вывод ионов Na⁺ из клетки.

Это обеспечивается пеpеносчиком АТФ-азой с затpатой энеpгии АТФ.

Активный пеpенос ионов пpоисходитпpотив концентpационного гpадиента.

25. Изменение мембранного потенциала при действии подпороговых раздражителей. Локальные ответы. Уровень критической деполяризации и порог деполяризации. Изменение ионной проводимости при генерации потенциала действия.

Когда на возбудимую ткань действует 50% пороговой силы мембранный потенциал нейтрализуется в результате действия катода – это электротонический потенциал. Если от 55% до 99% пороговой силы – к пассивной деполяризации добавляется активная (Na+)- это локальный ответ. Он работает по закону силовых отношений, вызывает снижение МП, сопровождается повышением возбудимости, далеко не распространяется(затухает там, где возникает). Амплитуда локального ответа увеличивается по мере приближения силы раздражителя к порогу, а при его достижении локальный ответ перерастает в потенциал действия. Точка МП, когда мембрана начинает лавинообразно пропускать Na в клетку и возникает ПД- Критический уровень деполяризации. Величина, на которую надо уменьшить МП, чтобы возник ПД – порог деполяризации 27. Кривая Ферворна и её связь с динамикой мембранного потенциала при генерации потенциала действия. Лабильность. Максимальные и оптимальные ритмы. Усвоение ритма по А.А.Ухтомскому.

А. Возбудимость клетки во время ее возбуж­дения быстро и сильно изменяется. Различа­ют несколько фаз изменения возбудимости, каждая из которых строго соответствует оп­ределенной фазе ПД и так же, как и фазы ПД, определяется состоянием проницаемос­ти клеточной мембраны для ионов. 1. Кратковременное повышение возбуди­мости в начале развития ПД, когда уже воз­никла некоторая деполяризация клеточной мембраны. Возбу­димость повышена потому, что клетка частично деполяризована, мембранный потен­циал приближается к критическому уровню и, когда деполяризация достигает примерно 50 % пороговой величины, начинают откры­ваться потенциалчувствительные быстрые Na-каналы. При этом достаточно небольшо­го увеличения силы раздражителя, чтобы де­поляризация достигла Екр, при которой воз­никает ПД. 2. Абсолютная рефрактерная фаза — это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику ПД и продолжается 1—2 мс; если ПД более про­должителен, то более продолжительна и аб­солютная рефрактерная фаза. Клетка в этот период времени на раздражения любой силы не отвечает. Невозбудимость клетки в фазах деполяризации и восходящей части инверсии объясняется  тем,   что   потенциалзависимые т-ворота Na-каналов уже открыты и Na+ бы­стро поступает в клетку по всем открытым каналам. Те ворота Na-каналов, которые еще не успели открыться, открываются под влия­нием  деполяризации   —   уменьшения   мем­бранного потенциала. Поэтому дополнитель­ное раздражение клетки относительно дви­жения   Na+   в   клетку   ничего   изменить   не может. Именно поэтому ПД либо совсем не возникает при раздражении, если оно мало, либо является максимальным, если действует раздражение  достаточной  силы   (пороговой или сверхпороговой). В период нисходящей части фазы инверсии клетка невозбудима по­тому,    что   закрываются    инактивационные h-ворота Na-каналов, в результате чего кле­точная мембрана непроницаема для Na+ даже при  сильном  раздражении.   Кроме  того,   в этот период открываются (уже в большом ко­личестве) К-каналы, К+ быстро выходит из клетки, обеспечивая нисходящую часть фазы инверсии    и    реполяризацию.   3.  Относительная рефрактерная фаза — это   период   восстановления   возбудимости клетки, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение Относительная рефрактерная фаза со­ответствует конечной части фазы реполяри­зации  и следовой гиперполяризации клеточной мембраны, если она имеется. Пониженная возбудимость является следствием все еще повышенной проницаемости для К+ и избыточного выхода его из клетки. Поэтому, чтобы вызвать воз­буждение в этот период, необходимо прило­жить более сильное раздражение, так как выход К+ из клетки препятствует ее деполя­ризации. 4. Фаза экзальтации — это период повы­шенной возбудимости. Он соответствует сле­довой деполяризации. Очередной ПД можно вызывать более слабым раздражени­ем, поскольку мембранный потенциал не­сколько ниже обычного и оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Na+. Ско­рость протекания фазовых изменений возбу­димости клетки определяет ее лабильность. Б. Лабильность, или функциональная по­движность (Н.Е.Введенский), — это скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Как видно из определения, лабильность ткани зависит от длительности ПД. Это озна­чает, что лабильность, как и ПД, определяет­ся скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая в свою очередь зависит от скорости изменения проницаемости клеточ­ной мембраны. При этом особое значение имеет длительность рефрактерной фазы: чем больше рефрактерная фаза, тем ниже лабиль­ность ткани. Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвес­ти в 1 с. В эксперименте лабильность иссле­дуют с помощью регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмическо­го раздражения.Лабильность различных тканей сущест­венно различается. Так, лабильность нерва равна 500—1000, мышцы — около 200, нерв­но-мышечного синапса — порядка 100 им­пульсов в секунду. Лабильность ткани пони­жается при длительном бездействии органа и при утомлении, а также в случае нарушения иннервации. Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздраже­ния лабильность ткани повышается, т.е. ткань отвечает более высокой частотой воз­буждения по сравнению с исходной часто­той. Это явление открыто А.А.Ухтомским и называется усвоением ритма раздражения 28. Законы раздражения Дюбуа-Реймона. Кривая сила-времени. Практическое значение хронаксиметрии.

Закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации): раздражающее действие постоянного тока зависит не только от абсолютной величины силы тока или его плотности, но и от скорости нарастания тока во времени. При действии медленно нарастающего раздражителя возбуждение не возникает, так как происходит приспосабливание возбудимой ткани к действию этого раздражителя, что получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что при действии медленно нарастающего раздражителя в мембране возбудимой ткани происходит повышение критического уровня деполяризации. При снижении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения потенциал действия вообще не возникает. Причина заключается в том, что деполяризация мембраны является пусковым стимулом к началу двух процессов: быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемости, и тем самым обусловливающего возникновение потенциала действия, и медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и как следствие этого - окончанию потенциала действия Закон силы-длительности: раздражающее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в течение которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать для возникновения возбуждения. Ток ниже некоторой минимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длительно он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающую способность они имеют. Причиной такой' зависимости является мембранная емкость. Очень "короткие" токи просто не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполяризации. Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой(АВ).В связи с тем, что определение этого времени затруднено, было введено понятие хронаксия(АЕ) - минимальное время, в течение которого ток, равный двум реобазам, должен действовать на ткань, чтобы вызвать ответную реакцию. АD-полезное время, АС- удвоенная реобаза  29. Закон “всё или ничего” и правило “силовых отношений”. Кривая сила-времени.

Закон силы: чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции. В соответствии с этим законом функционируют сложные структуры, например, скелетная мышца. Амплитуда ее сокращений от минимальных (пороговых) величин постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя до субмаксимальных и максимальных значений. Это обусловлено тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих различную возбудимость. Поэтому на пороговые раздражители отвечают только те мышечные волокна, которые имеют самую высокую возбудимость, амплитуда мышечного сокращения при этом минимальна. С увеличением силы раздражителя в реакцию вовлекается все большее и большее количество мышечных волокон и амплитуда сокращения мышцы все время увеличивается. Когда в реакцию вовлечены все мышечные волокна, составляющие данную мышцу, дальнейшее увеличение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения. Закон "все или ничего": подпороговые раздражители не вызывают ответной реакции ("ничего"), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция ("все"). По закону "все или ничего" сокращаются сердечная мышца и одиночное мышечное волокно. Закон "все или ничего" не абсолютен. Во-первых, на раздражители подпороговой силы не возникает видимой ответной реакции, но в ткани происходят изменения мембранного потенциала покоя в виде возникновения местного возбуждения (локального ответа). Во-вторых, сердечная мышца, растянутая кровью, при наполнении ею камер сердца, реагирует по закону "все или ничего", но амплитуда ее сокращения будет больше по сравнению с сокращением сердечной мышцы, не растянутой кровью Ошибка в опытах Люкаса и Като заключается в том, что, сосредоточив свое внимание лишь на одной стороне сложного процесса возбуждения и пренебрегая эволюционным подходом к оценке явлений, они возвели в ранг общего биологического закона частные особенности реакции частного вида живых образований— мышечной ткани. 30. Законы Пфлюгера о действии длительно влияющего постоянного тока. Электротон. Катодическая депрессия и анодическая экзальтация.

Закон физиологического электротона: действие постоянного тока на ткань сопровождается изменением ее возбудимости. При прохождении постоянного тока через нерв или мышцу порог раздражения под катодом и соседних с ним участках понижается вследствие деполяризации мембраны - возбудимость повышается. В области приложения анода происходит повышение порога раздражения, т. е. снижение возбудимости вследствие гиперполяризации мембраны. Эти изменения возбудимости под катодом и анодом получили название электротона (электротоническое изменение возбудимости). Повышение возбудимости под катодом называется катэлектротоном, а снижение возбудимости под анодом - анэлектротоном.

При дальнейшем действии постоянного тока первоначальное повышение возбудимости под катодом сменяется ее понижением, развивается так называемая катодическая депрессия. Первоначальное же снижение возбудимости под анодом сменяется ее повышением - анодная экзальтация. При этом в области приложения катода происходит инактивация натриевых каналов, а в области действия анода происходит снижение калиевой проницаемости и ослабление исходной инактивации натриевой проницаемости.