Конспект лекций

1.2.2. Потенциал действия.

При неизменном функциональном состоянии клетки величина мембранного потенциала не изменяется. Поддержание постоянной его величины обеспечивается нормальным протеканием клеточного метаболизма.

При нанесении на клетку, в которой находится микроэлектрод, допороговых стимулов, можно зарегистрировать уменьшение мембранного потенциала (деполяризацию), которое обратимо (быстро проходит) и зависит от силы стимула, но до определенного уровня.

Ответы клетки при действии на нее допороговых раздражений могут суммироваться.

При деполяризации до определенного уровня (обычно – это смещение мембранного потенциала на 20-30% от величины МПП), называемого критический уровень деполяризации (КУД), возникает резкое колебание мембранного потенциала (рис 5), получившее название потенциала действия (ПД) или спайка или пик – потенциала. И как бы мы дальше не увеличивали силу раздражения, амплитуда потенциала действия уже не изменится (закон “все или ничего”).

Все изменения мембранного потенциала до КУД отображают местный процесс возбуждения, нераспространяющееся возбуждение или локальный ответ.

В ПД различают пик и следовые потенциалы. Восходящая часть пика –

деполяризация, нисходящая – реполяризация.

Рис. 5. ПД и изменения возбудимости во время ПД.

Овершут – перезарядка мембраны или перескок – основная причина распространения возбуждения.

11

Именно эти овершуты, перескоки ПД и регистрировал в своих экспериментах Эмиль Дюбуа-Реймон. ПД – это всегда распространяющееся возбуждение.

Следовые потенциалы: отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация); положительный следовый потенциал (следовая гиперполяризация).

Амплитуда потенциала действия: нервные клетки 110 –100 мВ; скелетные и сердечные мышцы 110 – 120 мВ.

Продолжительность ПД нервных клеток 1 –2 мс.

Фазовые изменения возбудимости при генерации ПД (рис. 5).

Мерило возбудимости – порог раздражения. При местном, локальном, возбуждении возбудимость увеличивается. Т.е. когда мембранный потенциал достигает КУД, возбудимость повышена.

ПД сопровождается многофазными изменениями возбудимости:

Период абсолютной рефрактерности (АРП) соответствует фазе деполяризации потенциала действия, пику и началу фазы реполяризации, возбудимость снижена вплоть до полного отсутствия во время пика.

Период относительной рефрактерности соответствует оставшейся части фазы реполяризации, возбудимость постепенно восстанавливается к исходному уровню.

Супернормальный период соответствует фазе следовой деполяризации потенциала действия (отрицательный следовый потенциал), возбудимость повышена.

Субнормальный период соответствует фазе следовой гиперполяризации потенциала действия (положительный следовый потенциал), возбудимость снижена.

Если потенциал покоя присущ всем живым клеткам без исключения, то потенциал действия генерируется только возбудимыми клетками, является электрофизиологическим показателем возникновения и распространения процесса возбуждения по мембранам нервных и мышечных клеток.

1.3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ И ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Биологические мембраны – это функционально активные структуры клеток, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур; образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.

Структурная основа мембраны – двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки. Толщина клеточных мембран 6-12 нм. Молекулы липидов амфотерны. Своими гидрофильными частями они обращены в сторону водной среды (межклеточная жидкость и цитоплазма), гидрофобные части молекул направлены внутрь фосфолипидного бислоя. Такая структура идеально подходит для раздела внеклеточной и внутриклеточной фаз.

Белки, интегрированные в двойной слой фосфолипидов своими полярными участками, образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Они выполняют различные функции: рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Большинство наших знаний об устройстве ионного канала, является результатом функциональной реконструкции. Каждый канал имеет устье, селективный фильтр, ворота и механизм управления воротами.

Часть каналов являются электроуправляемыми, т.е. управляются за счет разности потенциалов на мембране (потенциал-зависимые ионные каналы). Для этого рядом с каналом имеется электрический сенсор, который в зависимости от величины мембранного потенциала либо открывает ворота каналов, либо держит их закрытыми.

Второй вариант ионных каналов – рецептороуправляемые. Ворота управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны (открываются при взаимодействии медиатора с рецептором). В некоторых рецептороуправляемых каналах между рецептором и воротным механизмом имеется промежуточная стадия (посредник типа цАМФ, протеинкиназы и т.д.)

12

Ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность – или избирательность канала обеспечивается его особой белковой структурой, геометрией канала.

Например, диаметр иона натрия – 0,19 нм, вместе с гидратной оболочкой он становится около 0,3 нм. Устье натриевого канала 0,3 – 0,5 нм. Чтобы пройти через канал (особенно через селективный фильтр), ион натрия или другой ион должен освободиться от гидратной оболочки и только в «голом» виде может пройти через канал. Слишком большой ион не может войти в устье, слишком маленький не способен отдать гидратную оболочку в селективном фильтре, поэтому не может выскочить из канала.

Натриевые каналы (рис. 6) имеют ворота 2-х типов – активационные (m-ворота) и инактивационные (h-ворота). В условиях покоя активационные ворота закрыты, но готовы в любую минуту открыться, а инактивационные – открыты. При снижении МП (деполяризация до 60 мВ) активационные ворота открываются и впускают ионы натрия в клетку, но вскоре начинают закрываться инактивационные ворота (происходит инактивация натриевых каналов). Некоторое время спустя закрываются активационные ворота, открываются инактивационные, и канал готов к новому циклу. Канал блокируется тетродотоксином, местными анестетиками (новокаин и др.).

Рис. 6. Работа натриевых каналов и «воротных» механизмов.

А – в покое m-ворота закрыты; Б – при возбуждении m-ворота открыты; В – закрытие h-ворот (инактивация) при деполяризации.

Калиевые каналы тоже достаточно селективны – в основном пропускают ионы калия. Блокируются тетраэтиламмонием. Процессы инактивации у них выражены слабо. Зато имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-калльцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию (восстановление МП покоя).

Кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Кальций выступает в роли вторичного

13

посредника (мессенджера). Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, напр., входящим натриевым током. Инактивация кальциевых каналов происходит при повышении внутриклеточной концентрации свободного кальция. Однако белки цитоплазмы связывают кальций, что позволяет некоторое время поддерживать стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Блокируются кальциевые каналы ионами марганца, никеля, кадмия (2-хвалентные ионы), а также лекарственными веществами (верапамил).

электрохимическому или осмотическому градиенту. Напр., в клетке натрия 14 ммоль, а в среде 140 ммоль, в этом случае пассивный поток должен быть направлен в клетку.

Для пассивной простой диффузии вещество должно быть жирорастворимым. Гидрофильные вещества в фосфолипидном бислое мембраны пройти не могут.

Облегченная диффузия происходит или при наличии специализированных каналов или с участием переносчиков, которые специфически связываются с переносимой молекулой, а затем способствуют ее переносу по градиенту концентрации.

Активный транспорт ионов насосами клеточных мембран обеспечивает поддержание ионных градиентов по обе стороны мембраны. Энергия затрачивается на перенос данного вещества против градиента его концентрации.

Доказано участие в активном транспорте ионов специализированных ферментных систем – АТФ-аз, которые осуществляют гидролиз АТФ. Различают:

Натрий–калиевая–АТФ–аза («натриевый насос») обнаружена в мембранах клеток всех животных, растений и микроорганизмов. Это мембранный белок, имеющий два центра связывания ионов. Один из них (натриевый) расположен на внутренней поверхности клеточной мембраны, второй (калиевый) – на ее внешней поверхности. Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид – строфантин (уабаин), блокирующий работу натриевого насоса. Гидролиз одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием в клетку двух ионов калия. При увеличении количества ионов калия во внеклеточной среде или ионов натрия внутри клетки работа насоса усиливается.

Кальциевая–АТФ-аза («кальциевый насос») наиболее широко распространена в мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток.

Протонная–АТФ-аза («протонный насос») – в мембранах митохондрий.

1.4. МЕХАНИЗМЫ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ И ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

1.4.1. Потенциал покоя.

Теория, объясняющая происхождение мембранного потенциала, базируется на двух основных положениях:

1.Мембрана избирательно проницаема для различных ионов. В состоянии покоя мембрана проницаема для катионов и практически непроницаема для анионов. В покое проницаемость для ионов калия гораздо выше, чем для ионов натрия.

2.В мембране имеется биохимический механизм (натрий–калиевая–АТФ-аза), обеспечивающий активный транспорт ионов калия внутрь клетки, а ионов натрия наружу.

В состоянии покоя в цитоплазме клетки ионов натрия в 10 раз меньше, чем снаружи, а ионов калия в 50 раз больше, чем снаружи.

Это состояние поддерживается работой насоса. Работает насос против градиента концентрации с затратой энергии.

В покое мембрана имеет более высокую проницаемость для ионов калия, чем для ионов натрия и тем более анионов, внутри клетки. По закону осмоса, несмотря на работу

14

насоса, калий стремится выйти из клетки, а анионы не могут последовать за ним, что приводит к разделению зарядов и появлению на мембране потенциала, отрицательного внутри и положительного снаружи.

Величина мембранного потенциала зависит от концентрации ионов калия внутри клетки и снаружи и может быть вычислена на основе законов физической химии (уравнение Нернста и уравнение Гольдмана – Ходжкина – Катца).

Работа натриевого насоса при гидролизе одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и поглощением двух ионов калия. Поскольку при этом перенос зарядов не скомпенсирован, то в результате функционирования АТФ – азы на мембране клетки разность потенциалов суммируется.

Кроме того, в создании отрицательного заряда принимают участие и белковые молекулы протоплазмы клетки.

1.4.2.Потенциал действия.

Возникновение ПД связано с изменением проницаемости клеточной мембраны при

ее возбуждении. При деполяризации мембраны до некоторого критического уровня (КУД) открываются натриевые каналы и ионы натрия по градиенту концентрации, без затрат энергии устремляются внутрь клетки, обусловливая фазу деполяризации потенциала действия.

Этот лавинообразный поток ионов натрия внутрь клетки продолжается до момента перезарядки мембраны. Во время овершута (перескока) наступает резкое снижение проницаемости для натрия (натриевая инактивация), но резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия, которые по градиенту концентрации без затрат энергии, выходят из клетки, компенсируя вошедшие положительно заряженные ионы натрия и обусловливая возвращение мембранного потенциала на исходный уровень (фаза реполяризации).

Таким образом, по заряду (потенциалу) клетка вернулась на исходный уровень, а ионный состав ее нарушен. Внутри увеличилось количество ионов натрия, а снаружи увеличилось количество ионов калия. Это именно та ситуация, когда натриевый насос работает наиболее активно, восстанавливая ионное равновесие (точнее ионное неравновесие) клетки.

Возникновение потенциала действия связано в основном с движением ионов натрия внутрь. Поэтому ПД считают “натриевым потенциалом”, в отличие от потенциала покоя, который считается в основном “калиевым”.

1.5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

ПД – волна возбуждения, распространяющаяся по мембранам нервных и мышечных клеток. ПД обладает способностью к самораспространению. ПД – обеспечивает передачу информации от рецепторов к нервным центрам и от них к исполнительным органам. Синоним ПД – нервный импульс, спайк.

Сложная информация о действующих на организм раздражениях кодируется в виде отдельных групп ПД – рядов. Амплитуды и длительности отдельных ПД постоянны (закон “все или ничего”), а частота ПД и их количество в ряду зависят от интенсивности раздражения. Такой способ кодирования и передачи информации является наиболее помехоустойчивым.

В живых организмах информация может передаваться и гуморальным путем. Преимущества ПД.

1.Информация более целенаправленна.

2.Передается быстро.

3.Адресат точно известен.

4.Информация может быть точнее закодирована.

15

ПД распространяется за счет местных токов, возникающих между возбужденным и невозбужденным участками. Из-за перезарядки мембраны во время генерации ПД возникает способность к самораспространению ПД. Возникнув на одном участке, он является стимулом для соседних участков.

Рефрактерность во время возбуждения в данном участке мембраны, обусловливает поступательное движение ПД.

Распространение одиночного потенциала действия само по себе не требует энергетических затрат. Однако восстановление исходного состояния мембраны и поддержание ее готовности к проведению нового импульса связано с затратой энергии на работу натрий-калиевого насоса.

Рис. 7. Распространение нервного импульса посредством локальных токов

(Hodgkin, 1964).

I – распространение импульса в немиелинизированном нерве; II – сальтаторное проведение в миелинизированном нерве от одного перехвата Ранвье к другому.

Конкретные особенности распространения возбуждения связаны со строением мембраны клетки, нервных волокон.

По мембранам мышечных клеток и в безмякотных нервных волокнах возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны (рис. 7.I).

В волокнах, покрытых миелиновой оболочкой, образованной шванновскими клетками, ПД может распространяться только скачкообразно (сальтаторно), перепрыгивая через участки волокна, покрытые миелином, с одного перехвата Ранвье на другой (рис.

7.II).

Причины сальтаторного проведения:

1)В перехватах Ранвье, свободных от миелина, сопротивление электрическому току минимально.

2)Порог раздражения в перехватах Ранвье минимальный.

3)Велика плотность натриевых каналов на мембране перехвата (12000 на 1 мкм2 – это значительно больше, чем в любом другом участке волокна).

4)Возбуждение, возникающее в одном перехвате Ранвье, вызывает смещение ионов во внешней и внутренней средах данного волокна и этого смещения достаточно, чтобы вызвать возбуждение в соседнем участке.

Особенности декрементного и бездекрементного распространения волны возбуждения. Декремент – постепенное ослабление.

Декрементное проведение:

1)Наблюдается в безмиелиновых волокнах.

2)Свойственно волокнам, которые иннервируют внутренние органы, обладающие низкой функциональной активностью.

3)Скорость распространения возбуждения невелика и определяется диаметром волокна.

16

Бездекрементное проведение:

1)ПД проходит весь путь от места раздражения до места реализации без затухания.

2)Характерно для миелиновых волокон, которые передают сигналы к органам, обладающим высокой реактивностью.

3)Время проведения возбуждения обратно пропорционально длине между перехватами Ранвье.

Скорость проведения возбуждения по нервному волокну зависит от диаметра волокон и наличия перехватов Ранвье. Диаметр волокна определяет характеристики электротонического (зависимого от полюсов) распространения мембранных токов. При увеличении диаметра волокна продольное сопротивление его внутренней среды, определяемое площадью поперечного сечения, снижается относительно сопротивления мембраны. В результате электротонические токи распространяются на большее расстояние и возрастает скорость проведения. Длина участков между перехватами Ранвье различна и также зависит от толщины нервного волокна: чем оно толще, тем длиннее расстояние между перехватами.

Классификация нервных волокон по Эрлангеру и Гассеру (1937)

Сложный потенциал действия нервных стволов.

Нервные волокна бывают объединены в тракты и образуют нервные стволы, в большинстве своем смешанные, содержащие волокна разного размера и типа с различной скоростью проведения.

Одиночный электрический удар, достаточно сильный, чтобы возбудить все волокна смешанного нерва, вызывает на некотором расстоянии от точки стимуляции серию электрических ответов (рис. 8). Эрлангер и Гассер показали, что все эти комплексы представляют собой ответы разных типов волокон в смешанном нерве. Слабый стимул, неспособный возбудить тонкие волокна с низкой возбудимостью (Аβ), вызовет ответ только в крупных (Аα) волокнах.

Рис. 8. Реконструкция сложного потенциала действия.

Показаны относительные размеры и временные соотношения различных компонентов. Спайк А с его вершинами

– альфа, бета и гамма – проводится по волокнам А-группы; В-волна – по волокнам В-группы с более медленным проведением; С-волна – по волокнам с самым медленным проведением. Седалищный нерв лягушки.

17

1.6. ЗАКОНЫ ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ В НЕРВАХ

1.6.1.Закон анатомической и физиологической непрерывности волокна.

Необходимым условием проведения возбуждения является не только его

анатомическая непрерывность, но и физиологическая целостность.

Любая травма волокна нарушает проводимость. При действии новокаина (дикаина, кокаина) блокируются натриевые и калиевые каналы мембраны. Возникновение возбуждения и его проведение в этом случае становится невозможным.

1.6.2.Закон двустороннего проведения возбуждения.

Нанесение раздражения между 2-мя отводящими электродами вызывает

электрические потенциалы под каждым из них.

Однако в целом организме по рефлекторной дуге возбуждение всегда распространяется в одном направлении: от рецептора к эффектору.

ПРИЧИНЫ:

1.Возбуждение всегда возникает при раздражении специфических рецепторов.

2.Рефрактерность во время возбуждения обусловливает поступательное движение.

3.В рефлекторной дуге возбуждение с одной нервной клетки на другую передается в синапсах с помощью медиатора, который может выделяться только в одном направлении.

1.6.3. Закон изолированного проведения возбуждения в нервных стволах.

Нервный ствол образован большим числом волокон, однако возбуждение, идущее по каждому из них не передается на соседние. Это обусловлено наличием оболочек, а также тем, что сопротивление жидкости в межволоконных пространствах значительно ниже, чем сопротивления мембраны волокна. Поэтому ток, выйдя из возбужденного волокна, шунтируется в жидкости и оказывается слабым для возбуждения соседних волокон.

1.7. ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ 1.7.1. Закон силы.

Возникновение распространяющегося возбуждения (ПД) возможно при условии, когда действующий на клетку раздражитель имеет некоторую минимальную (пороговую силу), иначе говоря, когда сила раздражителя соответствует порогу раздражения.

Порог – это та наименьшая величина раздражителя, которая действуя на клетку какое-то определенное время, способна вызвать максимальное возбуждение;

- это та наименьшая величина раздражителя, при действии которой потенциал покоя может сместиться до КУД мембраны, при котором активируется перенос ионов натрия внутрь клетки.

1.7.2. Зависимость пороговой силы стимула от его длительности (закон времени).

Пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. Эта зависимость, открытая Гоорвегом, Вейсом, Лапиком получила название кривой “сила – длительность” или “сила – время” (рис.8).

Кривая “сила – длительность” имеет форму, близкую к гиперболе; т.е. в определенном диапазоне зависимость пороговой силы раздражителя от его длительности носит характер обратной зависимости. Чем меньше по времени действует на возбудимую ткань раздражитель, тем выше требуется его сила для инициации возбуждения.

Минимальная сила тока (или напряжение), способная вызвать возбуждение, названа реобазой. Наименьшее время, в течение которого должен действовать стимул в одну реобазу, чтобы вызвать возбуждение – полезное время. Дальнейшее его увеличение не имеет значения для возникновения возбуждения.

18

Чем круче должен нарастать ток, чтобы вызвать возбуждение, тем выше скорость аккомодации.

Минимальный градиент – это минимальная скорость нарастания раздражителя, при которой возбудимая ткань еще способна ответить возбуждением на данный раздражитель. Ткань с более высокой возбудимостью, как правило, быстрее аккомодирует и поэтому имеет более высокий минимальный градиент.

В практике, исходя из существования закона градиента, для нанесения электрического раздражения на возбудимую ткань обычно используют прямоугольные электростимулы – т.е. стимулы, у которых очень высокий фронт нарастания.

1.7.4. Закон “ все или ничего”.

Установлен Боудичем в 1871 г. на мышце сердца. При подпороговой силе раздражения мышца сердца не сокращается, а при пороговой силе раздражения – сокращение максимально. При дальнейшем увеличении силы раздражения амплитуда сокращений не увеличивается.

Со временем была установлена универсальность этого закона по отношению ко всем возбудимым тканям. Однако исследования с использованием микроэлектродной техники выявили и некоторое формальное несоответствие: подпороговое раздражение вызывает местное, нераспространяющееся возбуждение, следовательно, нельзя говорить, что допороговое раздражение не дает ничего.

Процесс развития возбуждения подчиняется этому закону с КУД, когда запускается лавинообразное поступление ионов натрия в клетку.

1.7.5. Полярный закон раздражения (закон Пфлюгера).

Законы Пфлюгера (1859) основываются на изменениях мембранного потенциала при действии на возбудимые ткани постоянного электрического тока (рис. 10).

1.Постоянный ток проявляет свое раздражающее действие только в момент замыкания и размыкания цепи.

2.При замыкании цепи постоянного тока возбуждение возникает под катодом; при размыкании под анодом.

Рис. 10. Действие электрического тока на возбудимые ткани.

А – изменение МП под катодом при кратковременном пропускании тока; Б – при длительном пропускании тока; В – возникновение ПД при пороговом значении тока; Г – изменение МП под анодом при кратковременном пропускании тока; Д – изменение МП и КУД при длительном действии сильного анодного тока – анодноразмыкательное возбуждение.

Изменение возбудимости под катодом.

20