Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология возбудимых тканей. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальностям 30.05.01 Медицинская биохимия, 30.05.02 Медицинская биофизи.pdf
Как известно из физики, электрические заряды (движущиеся
и неподвижные) формируют в пространстве электромагнитное поле,
которое влияет на тела, имеющие электрический заряд. С точки зрения
электромагнетизма клеточную мембрану можно представить как плоский
конденсатор, заполненный однородным диэлектриком из неполярных
молекул. Если конденсатор заряжен, внутри него возникает электрическое
поле, обусловленное поверхностной плотностью заряда. На поверхности
мембраны возникают некомпенсированные заряды – положительные у «отрицательной» поверхности и отрицательные у «положительной». Таким
образом, мембрана оказывается поляризованной. Это означает, что она имеет разный электрический потенциал наружной и внутренней поверхностей.
Разность между этими потенциалами вполне возможно зарегистрировать.
Существуют два способа регистрации мембранного потенциала покоя
(МПП, или ПП) – внутриклеточный
и внеклеточный. Внутриклеточный
способ регистрации МПП реализуется с помощью микроэлектродов;
при этом один электрод располагается на наружной поверхности клеточной мембраны, второй погружается в клетку и регистрирует потенциал на внутренней поверхности
клеточной мембраны (рис. 13).
При внеклеточном способе регистрации МПП один из электродов помещают на неповрежденную
поверхность нервного или мышечного волокна, а другой электрод –
на поврежденный участок. Электроды соединяют с электроизмерительным прибором, который регистрирует разность потенциалов (ток покоя)
между поврежденным (заряженным
электроотрицательно) и неповрежденным (заряженным электроположительно) участками ткани.
Биопотенциалы регистрируются в состоянии как относительного
физиологического покоя, так и возбуждения. В состоянии относитель-
Рис. 13. Измерение мембранного потенциала
мышечного волокна (А) с помощью внутриклеточного микроэлектрода: М – микроэлектрод, И – индифферентный электрод. Луч
на экране осциллографа (Б) показывает, что
до прокола микроэлектродом мембраны раз-
ность потенциалов М и И была равна 0
ного физиологического покоя регистрируется потенциал покоя (мембранный потенциал), а при возбуждении – потенциал действия.
21
В электрофизиологии кроме потенциала покоя рассматриваются и другие электрические потенциалы – локальные постсинаптические и рецепторные (возбуждающие и тормозные), электротонические и следовые, миниатюрные потенциалы концевой пластинки, концентрационный потенциал
и потенциал действия.
2.2. Мембранный потенциал покоя:
определение, механизмы формирования
Потенциал покоя (мембранный потенциал – МПП, или ПП) – это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью клеточной мембраны в состоянии относительного физиологического покоя живой
клетки. Его величина составляет в среднем
в разных клетках может быть различной: от
Итак, изнутри клетка в покое заряжена отрицательно, а снаружи –
положительно. Это свойственно всем живым клеткам, за исключением
эритроцитов, которые, наоборот, заряжены отрицательно снаружи. Если
говорить конкретнее, то получается, что снаружи вокруг клетки будут преобладать положительные ионы (катионы Na+и K+), а внутри – отрицательные (An−– анионы органических кислот).
Какие же механизмы участвуют в формировании МПП? Общепринятой теорией возникновения биопотенциалов является мембранно-ионная
теория (авторы В. Ю. Чаговец – 1896 г., Ю. Бернштейн – 1902–1903 гг.,
А. Ходжкин, А. Хаксли, Б. Кац – 1950-е гг.), согласно которой в возникновении МПП принимают участие следующие механизмы:
– ионная асимметрия (различная концентрация ионов в цитоплазме
клетки и во внеклеточной среде);
– избирательная (селективная) проницаемость клеточной мембраны
для определенных ионов и их пассивный транспорт через клеточную мембрану (за счет сил простой диффузии и электростатического отталкивания);
– активный транспорт ионов (работа Na+/ K+-насоса).
Все эти факторы тесно связаны между собой и их разделение имеет
определенную условность.
Ионная асимметрия заключается в том, что внутри клетки преобладают ионы K+и органических соединений An−, а снаружи – ионы Na+,
2
Ca
+ и Cl−(рис. 14).
В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов K+, хуже для Cl−, почти не проницаема для Na+и совсем не проницаема для анионов органических соединений
An−. За счет ионной асимметрии и избирательной проницаемости создаются условия для пассивного транспорта ионов через клеточную мембрану
−70
мВ (милливольт), хотя
−40до−90
мВ.
22
Рис. 14. Ионная асимметрия (различная концентрация ионов
в цитоплазме клетки и в межклеточной жидкости)
по градиенту концентрации без затрат энергии (пассивно), путем простой
диффузии. Ионы K+выходят из клетки, а ионы Cl−входят внутрь клетки,
и в определённый момент на наружной поверхности клеточной мембраны возникает избыток положительного заряда, а на внутренней – избыток
отрицательного. Движение ионов подчиняется закону электрохимического
равновесия Доннана. В тот момент, когда уравновешиваются силы диффузии и электростатического взаимодействия, наступает электрохимическое
равновесие по иону K
ционно-электрохимическим равновесным потенциалом по иону K
+
. Мембранный потенциал покоя является концентра-
+
(
EK).
Его можно рассчитать по формуле Вальтера Нернста
+
[
K
EK=
RT
ZF
[
K+]
]
нар
,
вн
гдеR– универсальная газовая постоянная,T– температура (по Кельвину),
Z
– валентность иона (отрицательная для аниона),F– число Фарадея,
+
[K
]
– концентрация ионов K+снаружи клетки, [K+]вн– концентрация
нар
ионов K+внутри клетки. ПП, как правило, очень близок к ЕК, но не точно
равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование
ПП вносят:
– поступление в клетку Na+и Cl−через неселективные ионные кана-
лы. При этом поступление в клетку Cl
−
дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na+дополнительно деполяризует
ее, вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl−и Na+в 2,5 и 25 раз
ниже, чем для K+;
23
– прямой электрогенный эффект Na+/ K+ионного насоса, возника-
ющий в том случае, если ионный насос работает асимметрично
(количество переносимых в клетку ионов K+не равно количеству
выносимых из клетки ионов Na+).
Для точного вычисления потенциала покоя необходимо учитывать
не только диффузию ионов K+, но и диффузию Na+и Cl−, что описывается
обобщенным уравнением Гольдмана – Ходжкина – Хаксли:
RT
где
E =
+
P
+
,
P
Na
,
K
ln
ZF
−
P
– коэффициенты проницаемости мембраны для ионов
Cl
калия, натрия и хлора;
P
K
(P
K
[
K+],[
+
+
· [
· [
K
]e+ P
K
]i+ P
Na+],[
Na
Na
+
+
Na
· [
+
+
Na
· [
Cl−]
– их активность внутри (i) и
]e+ P
]i+ P
−
Cl−]
· [
Cl
−
Cl
e
−
Cl
· [
]i)
,
вне (e) клетки.
Уравнение Гольдмана – Ходжкина – Хаксли позволяет определять мембранный потенциал не только в состоянии покоя, но и при возбуждении
клетки. Для этого необходимо знание коэффициентов проницаемости для
ионов. По данным Ходжкина и Катца (1949), для аксона кальмара в со-
+
+
стоянии покоя отношение коэффициентов проницаемости
= 1 : 0,04 : 0, 45
.
P
: P
K
Na
: P
−
=
Cl
После наступления электрохимического равновесия движение ионов
может прекратиться, но это означает гибель для клетки. Для поддержания
ионной асимметрии запускается активный транспорт – это транспорт ионов
против градиента концентрации, который осуществляется с помощью специальных молекул-переносчиков с затратой энергии. В 1940 г. Роберт Дин
описал один из таких активных механизмов транспорта ионов через мембрану – так называемый Na+/ K+-насос. В работе Na+/ K+-насоса основная
роль принадлежит молекуле белка-переносчика, находящегося в слое фосфолипидов клеточной мембраны.
Работа Na+/ K+-насоса осуществляется следующим образом:
1) на внутренней поверхности клеточной мембраны молекула переносчика имеет определенную конформационную форму (Y), обладающую высоким сродством к ионам Na+, и образует с ними
+
комплекс Na
–Y;
2) комплекс Na+–Y диффундирует на поверхность мембраны и распадается, при этом ионы Na+выталкиваются во внешнюю среду,
а белок-переносчик изменяет свою конформационную форму (форма X);
3) форма X белка-переносчика обладает высоким избирательным
сродством к ионам K+, при связывании с которыми происходит
24
образование комплекса K+–X, который движется на внутреннюю
поверхность мембраны и распадается, выталкивая ионы калия
внутрь клетки;
4) переход конформационной формы X в исходную конформационную
форму Y происходит с затратами энергии, которая образуется при
распаде АТФ.
Активация Na+/ K+-насоса происходит при изменении заряда клеточной мембраны, т. е. постоянно. Однако активность его зависит от функционального состояния клетки.
В состоянии покоя ионы Na+выводятся из клетки, а внутрь клетки
поступают ионы K+(рис. 15).
Рис. 15. Схема работы Na+/ K+-насоса
Значение Na+/ K+-насоса заключается в поддержании ионной асимметрии и постоянной величины мембранного потенциала покоя.
Таким образом, за счёт активных сил устанавливается окончательная
трансмембранная разность потенциалов в состоянии относительного физиологического покоя, возникает состояние поляризации и формируется
мембранный потенциал или потенциал покоя.
25
2.3. Потенциал действия: определение, механизмы формирования
Потенциал действия (ПД) – это быстрое колебание мембранного
потенциала, возникающее при импульсном возбуждении. ПД возникает
в ткани под влиянием порогового и сверхпорогового раздражителя.
При трансмембранном способе регистрации с помощью катодного осциллографа потенциал действия нервной клетки имеет форму одиночного
пика и состоит из трёх компонентов:
1) местного потенциала (локальный ответ, предспайк);
2) высоковольтного пикового потенциала (спайк), состоящего из фаз
деполяризации и реполяризации;
3) следовых колебаний мембранного потенциала: а) отрицательного
следового потенциала; б) положительного следового потенциала
(рис. 16).
Рис. 16. Графическое изображение потенциала действия нервной клетки
Местный (локальный) ответ возникает и продолжается до тех пор,
пока раздражитель не достигнет пороговой величины. После достижения
силы раздражителя 50–75% порогового значения открываются ворота потенциалзависимых натриевых каналов и повышается проницаемость клеточной мембраны для ионов Na+. Натрий за счет простой диффузии по-
26
ступает в клетку. В результате этого величина мембранного потенциала
понижается и мембрана частично деполяризуется. Чем ближе к пороговому
значению, тем больше степень деполяризации (местное возбуждение). Как
только раздражитель становится пороговым по силе, достигается критический уровень деполяризации (КУД).
КУД (
EK) – это та разность потенциалов, которая должна быть до-
стигнута, чтобы местные изменения перешли в пик потенциала действия,
чтобы наступила полная деполяризация клеточной мембраны. КУД (
EK) –
пороговая величина, при которой местная форма возбуждения перешла
в импульсное. Величина КУД практически постоянная во всех возбудимых
тканях и равна – 40–50 мВ. Разность между ПП и пороговой величиной
характеризует порог раздражения и отражает возбудимость ткани.
Пик (спайк) потенциала действия состоит из фаз деполяризации и ре-
поляризации.
Фаза деполяризации возникает в результате лавинообразного движения
Nа+ внутрь клетки. Этому способствуют две причины:
1) при достижении КУД наблюдается полностью переход всех Na+каналов в открытое состояние;
2) освобождаются поры для ионов Na+от Са+.
Заряд клеточной мембраны сначала снижается до 0 (это собственно
деполяризация), а затем меняется на противоположный (инверсия, или
овершут). Для характеристики фазы деполяризации вводится понятие реверсии – это та разность потенциалов, на которую потенциал действия превышает потенциал покоя в мВ. Фаза деполяризации продолжается до достижения электрохимического равновесия по иону Nа+. Затем наступает
следующая фаза – реполяризация.
Фаза реполяризации – это процесс обратного восстановления заряда
клеточной мембраны.
Фаза реполяризации характеризуется:
– изменением активности Na+/ K+-насоса;
– снижением проницаемости клеточной мембраны для Nа+ (Nа-инак-
тивация). Натрий накапливается на наружной поверхности клеточной мембраны;
– возрастанием проницаемости мембраны для K+, в результате чего
повышается выход K+из клетки с увеличением положительного
заряда на мембране.
Но пока полного восстановления нет, т. к. возникают следовые потенциалы.
Следовые потенциалы делятся на:
– отрицательный следовой потенциал – замедление реполяризации
мембраны, обусловленное неполной инактивацией натриевых каналов и частичным поступлением ионов натрия в клетку;
27
– положительный следовой потенциал, обусловленный временным
увеличением положительного заряда на наружной поверхности клеточной мембраны, которое называют гиперполяризацией. Гиперполяризация мембраны связана с повышенной ее проницаемостью
для ионов K+вследствие работы Na+/ K+-насоса. Следовые потенциалы отражают восстановительные процессы на поверхности
клеточной мембраны.
Таким образом, потенциал действия является электрохимическим равновесным потенциалом по иону Na+, возникает при действии пороговых
и сверхпороговых раздражителей, характеризует импульсную форму возбуждения и его амплитуда зависит не от силы раздражителя, а от кон-
центрации ионов Na+и количества самих натриевых каналов.
2.4. Фазовые изменения возбудимости при генерации потенциала действия
Развитие в нервном или мышечном волокне потенциала действия сопровождается выраженным изменением возбудимости, которое происходит
по определенным фазам (рис. 17).
Различают следующие фазы изменения возбудимости:
– начальное повышение возбу-
димости (суперномальная возбудимость);
– абсолютный рефрактерный
период;
– относительный рефрактерный
период;
– супернормальный период
возбудимости (фаза экзальтации);
– субнормальный период возбу-
димости.
Рис. 17. Графическое отображение фазовых
изменений возбудимости ткани при генерации потенциала действия. Фазы возбудимости: 1 – супернормальная возбудимость;
2 – абсолютная рефрактерность; 3 – от-
носительная рефрактерность; 4 – супернормальная возбудимость; 5 – субнормальная
возбудимость
Начальное повышение возбудимости соответствует местным колебаниям мембранного потенциала и обусловлено частичной деполяризацией
клеточной мембраны вследствие ограниченного поступления ионов натрия
28
в клетку. В этой фазе возбудимости может наблюдаться реакция ткани даже
на подпороговый раздражитель.
Абсолютный рефрактерный период характеризуется резким кратковременным снижением возбудимости ткани и отсутствием ответной реакции
на действие даже сверхпорогового раздражителя. Абсолютный рефрактерный период соответствует восходящему колену спайка – фазе деполяризации – и обусловлен инактивацией натриевых каналов на пике ПД.
Относительный рефрактерный период характеризуется постепенным
восстановлением возбудимости и возможностью ответной реакции ткани
на действие только сверхпороговых раздражителей. Относительный рефрактерный период соответствует нисходящему колену спайка – фазе реполяризации – и обусловлен превышением выходящего тока ионов из клетки
(K+и Na+) над входящим током ионов Na+в клетку.
Супернормальный период (фаза экзальтации) характеризуется повышением возбудимости ткани. В этот период ткань отвечает возникновением
возбуждения даже на действие раздражителя подпороговой (для исходного
состояния) силы. Фаза экзальтации соответствует отрицательному следовому потенциалу и обусловлена частичной деполяризацией клеточной мембраны за счет незначительного поступления ионов Na+в клетку.
Субнормальный период характеризуется снижением возбудимости
и способностью ткани отвечать волной возбуждения на действие только
сверхпороговых раздражителей. Субнормальный период возбудимости
соответствует положительному следовому потенциалу и обусловлен гиперполяризацией клеточной мембраны вследствие временной повышенной
ее проницаемости для ионов K+.
2.5. Понятие о хронаксиметрии
Хронаксиметрия (греч. chronos время + axia количество + metreo –
мерить, измерять) – определение возбудимости тканей и органов на основе
выявления зависимости между пороговой силой электрического раздражения и длительностью его воздействия.
Хронаксия представляет собой наименьший отрезок времени прохождения тока величиной в две реобазы, который вызывает пороговый эффект
(возбуждение ткани) (рис. 18).
Зависимость между параметрами раздражающих стимулов и ответной
реакцией тканей в общем виде выражается формулой
i = a/t + b,
гдеi– пороговая сила (напряжение) электрического тока,t– время его
aиb
действия,
– константы, зависящие от физиологических свойств ткани.
29
Рис. 18. Кривая силы – длительности порогового раздражителя:
1 – реобаза; 2 – удвоенная реобаза; а – хронаксия; б – полезное
время
Пороговые параметры раздражения (амплитудные и временные) характеризуют реобаза и хронаксия. Реобаза – это наименьшее значение силы или
напряжения тока, вызывающего при достаточной его длительности пороговый эффект; выражается в миллиамперах или вольтах. Хронаксия измеряется в миллисекундах и является количественным показателем функциональной подвижности, или лабильности ткани. Минимальная длительность
раздражения, вызывающего пороговый эффект при значении тока, равном
реобазе, называется полезным временем.
Величины хронаксии и реобазы являются информативными показателями при диагностике поражений центральной и периферической нервной
системы, опорно-двигательного аппарата, а в комплексе с другими клинико-физиологическими исследованиями позволяют объективно определять
эффективность лечебных мероприятий. В стереотаксической нейрохирургии хронаксиметрия используется для контроля функционального состояния отдельных точек мозга (в процессе диагностической электрической
стимуляции), установления границ подкорковых образований, уточнения
размеров патологического очага и др.
Относительная простота определения и четкий физиологический
смысл хронаксиметрических параметров обусловили широкое применение
хронаксиметрии в медицине, физиологии труда и спорта, биоритмологии,
промышленной и санитарной гигиене.
30