Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физиология возбудимых тканей. Учебное пособие
.pdf
изменением интенсивности обмена веществ, ускорением клеточного
деления, электрических свойств плазматической мембраны (клетки) и
т.д.
Частным случаем проявления общего свойства биологической
ткани раздражимости является возбудимость. Возбудимость
проявляется в способности клетки в ответ на раздражение
генерировать потенциал действия. Мышечная и нервная клетки в
ответ на раздражение отвечают генерацией потенциала действия,
поэтому их относят к возбудимым тканям. Также к возбудимым
тканям относят и железистый эпителий. Электрические импульсы
отмечены и в других клетках: парамеции, водоросли и раковые
клетки.
К невозбудимым тканям, то есть к тем, которые не генерируют
потенциал действия в ответ на действие раздражителя, относят:
соединительные (кровь, рыхлая волокнистая соединительная ткань,
хрящевая и костная ткани) и эпителиальные (за исключением
секреторного эпителия) ткани.
Другими свойствами биологической ткани являются
проводимость и сократимость. Сократимостью обладают мышечные
ткани, которые в ответ на воздействие раздражения отвечают
изменением напряжения или своей длины. Способность возбудимой
ткани – клетки - передавать возбуждение (потенциал действия) по
всей длине называют проводимостью.
Изменение внешней или внутренней среды организма, которое
вызывает ответную реакцию, называют раздражением или
раздражителем. В зависимости от природы раздражителя и степени
чувствительности к нему клеток они делятся на физические и
химические, и адекватные, и неадекватные, соответственно.
Например, к физическим раздражителям относят электрический ток,
механические, температурные и световые воздействия; к химическим
относят – рН, концентрация молочной кислоты, напряжение СО2 в
крови и т.д. Электрический ток довольно часто используется в
физиологии для исследования свойств возбудимых тканей.
Адекватный раздражитель для возбудимой ткани – это тот
раздражитель, к которому данная ткань (клетка) имеет наибольшую
чувствительность. Например, для фоторецепторов глаза адекватным
раздражителем служит свет, так как эти клетки имеют
приспособление (пигменты – родопсин, йодопсин) для восприятия
световых волн. Механический раздражитель, который не является
11
адекватным раздражителем для фоторецепторов, в частности, при
большей силе воздействия на глаз могут вызвать ответную реакцию.
Для того чтобы неадекватный раздражитель вызвал ответную
реакцию необходимо большая интенсивность и сила воздействия
раздражителя. Таким образом, возбудимая ткань имеет очень низкий
порог возбуждения к адекватному раздражителю.
В 1786 году итальянский ученый Л. Гальвани провел два опыта
на препаратах задних лапок лягушек со снятой кожей. В своем
первом опыте, он подвешивал препарат с помощью медного крючка
к железным перилам балкона. При этом он наблюдал сокращение
мышц лапок, когда те касались перил балкона. Сокращение мышц
возникало как следствие воздействия на них электричества, источник
которого являются «животные ткани» - мышцы и нервы. Другой
ученый физик А. Вольта оспорил объяснение Гальвани. По мнению
А. Вольта, причиной сокращения мышц был электрический ток в
области контакта двух разнородных металлов с тканями лягушки.
Во втором опыте А. Гальвани набрасывал нерв нервно-
мышечного препарата на мышцу стеклянным крючком так, чтобы
нерв касался одновременно поврежденного и неповрежденного
участков мышцы лапки. При этом мышца сокращалась. Это опыт А.
Гальвани доказывал, что существует «животное» электричество. В
1883 году К. Маттеучи зарегистрировалл его с помощью
гальванометра. Клеммы гальванометра он присоединил к
поврежденному и неповрежденному участку мышцы. Стрелка
гальванометра при этом отклонялась. При размыкании цепи прибора
стрелки гальванометра возвращались в нулевое положение.
На практике используется внутриклеточная и внеклеточная
регистрация электрических потенциалов с помощью электродов металлических и стеклянных.
При внутриклеточном отведении используется стеклянный
микроэлектрод. Он представляет собой микропипетку с кончиком
диаметром 0,5-1 мкм (рис. 2, Б). Обычно его заполняют раствором
3М КСl. В него вставлена тонкая серебряная проволока,
подключенная к регистрирующему устройству. Хлорированную
серебряную пластинку используют в качестве индифферентного
внеклеточного электрода.
Микроэлектродный способ позволил выяснить механизмы
возникновения электрических зарядов клеткой и механизмы
генерации возбуждения в живых клетках.
12
Рис. 2. Потенциал покоя возбудимой клетки (А) и схема его регистрации (Б): 1
– клетка; 2 – микроэлектрод; 3 – регистратор (Агаджанян, 2007)
Природа процесса возбуждения. Все клетки организма имеют
электрический заряд. Неодинаковая концентрация анионов и
катионов внутри и вне клетки создают электрический заряд на ее
мембране. Это является следствием неодинаковой проницаемости
клеточной мембраны для разных ионов и работы ионных насосов.
При воздействии раздражителя на возбудимую клетку сначала очень
быстро повышается проницаемость ее мембраны для Na
+
и быстро
возвращается к норме, а затем быстро – для К+ и с некоторым
отставанием она возвращается к норме. При этом натрий входит в
клетку, а калий выходит из клетки. Ионы перемещаются в клетку и из
нее согласно электрохимическому градиенту. Это и есть процесс
возбуждения. Процесс возбуждения возможен только в том случае,
если клетка постоянно поддерживает ПП – потенциал покоя или
мембранный потенциал.
1.1.3. Потенциал покоя
Разность электрических потенциалов между внутренней и
наружной средой клетки в состоянии ее покоя называется
потенциалом покоя (ПП).
Измерение ПП. Во время прокола мембраны клетки
микроэлектродом луч осциллографа скачком отклоняется вниз и
показывает отрицательный заряд внутри (см. рис.2, А).
Величина потенциала покоя: а) в волокнах скелетной мышцы 60 - -90 мВ, б) в нервных клетках -50 - -80 мВ, г) в гладких мышах -30
13
- -70 мВ, д) в сердечной мышце -80 - -90 мВ. У органелл клеток
имеются собственные заряды. В частности, у митохондрий он равен
175 мВ.
Потенциал покоя является основой для генерации потенциала
действия (ПД). Наличие потенциала покоя на мемебране клетки
является признаком жизни самой клетки и организма в целом.
Причиной существования потенуциала покоя является
неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки
(рис. 3).
Рис. 3. Распределение ионов Na+, K+ и Cl- по обе стороны мембраны сомы
нейрона; рисунок иллюстрирует происхождение мембранного потенциала
сомы нейрона (Гайтон, 2008)
В мышечных и нервных клетках концентрация Na
+
вне клетки в
14 раз больше, чем внутри клетк, а концентрация К+ внутри клетки
примерно в 40 раз больше, чем вне клетки (табл. 1).
Анионов С1
клетке находится большое количество ионов Mg
-
вне клетки 20 раз больше, чем внутри клетки. В
+
. Кальций находится
в основном вне клетки. Внутри клетки находятся
крупномолекулярные анионы. Это глутамат, аспартат, а также
фосфаты и органические сульфаты.
Неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки
является следствием неодинаковой проницаемости клеточной
мембраны для различных анионов и катионов и работы ионных
насосов, которые транспортируют ионы в клетку и из клетки против
14
их электрохимических градиентов.
Внутриклеточная
Внеклеточная
Na+ 12
Na+ 145
K+ 155
K+ 4
Cl- 4
Cl- 80
HCO
3
-
8
HCO
3
-
27
A
-*
155
Прочие катионы
5
Таблица 1
Внутри- и внеклеточная концентрация ионов (мМ) в мышечных
клетках гомойотермных животных
*А- высокомолекулярные внутриклеточные анионы
Проницаемость клеточной мембраны – это ее способность
пропускать воду, незаряженные и заряженные частицы (ионы)
согласно законам диффузии и фильтрации. Проницаемость
определяется: размерами пор клеточной мембраны или каналов и
растворимостью частиц в мембране. Клеточная мембрана проницаема
для растворимых в ней липидов и непроницаема для пептидов.
Проводимость – это способность заряженных частиц (ионов)
проходить через клеточную мембрану согласно электрохимическому
градиенту. Термин «проводимость» следует использовать только
лишь применительно к заряженным частицам. Проводимость иона
зависит от его электрохимического градиента и от проницаемости
мембраны. Чем они больше, тем лучше проводимость иона через
мембрану.
В состояниии покоя перемещения ионов в клетку и из нее
осуществляются согласно концентрационному и электрическому
градиентам через неуправляемые (без воротного механизма) ионные
каналы. Неуправляемые каналы всегда открыты. Они практически не
меняют своей пропускной способности дажее при возбуждении
клетки. Движение ионов в клетку и из нее зависит также от
электрического заряда клетки: ионы с противоположными зарядами –
притягиваются, а одинаково заряженные – отталкиваются.
Роль проницаемости мембраны клетки для различных ионов в
формировании потенциала покоя. Поскольку проницаемость
клеточной мембраны для К
проницаемости ее для Na+, то в состоянии покоя из клетки К
выходит значительно больше, чем в нее входит Na+. Внутри клетки в
состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем
положительных из-за того, что большие органические анионы вообще
+
примерно в 25 раз больше
15
+
не могут выходить из клетки. Поэтому клетка внутри имеет
отрицательный заряд. Анионы, находящиеся внутри клетки:
аспартат, глутамат, сульфаты и органические фосфаты.
Во всех точках клетки отрицательный заряд практически
одинаков. Об этом свидетельствует опыты Ходжкина, Хаксли и Катца
на гигантском аксоне кальмара в которых было показано, что
величина потенциала покоя одинаковая при введении
микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки. Сам гигантский
аксон кальмара диаметром около 1 мм в этом опыте находился в
морской воде; один электрод помещали в морскую воду, а другой
вводили в цитоплазму аксона.
Калий – это основной ион, обеспечивающий формирование
потенциала покоя. Об этом свидетельствует результаты опыта с
перфузией солевыми растворами внутреннего содержимого
гигантского аксона кальмара. При уменьшении концентрации ионов
+
К
в перфузате потенциал покоя уменьшается, при увеличении
концентрации ионов К
+
- увеличивается. В покое в клетке существует
динамическое равновесие между количеством выходящих из клетки и
входящих в нее ионов К+. Электрический и концентрационный
градиенты противодействуют друг другу: согласно
концентрационному градиенту, К
+
стремится выйти из клетки, а
отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд
наружной поверхности (электрический градиент) клеточной
мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и
электрический градиенты уравновешиваются, количество выходящих
из клетки ионов К
ионов К
+
. На клеточной мембране устанавливается так называемый
+
становится равным количеству входящих в клетку
равновесный К-потенциал. Равновесный потенциал для любого иона
определяется по формуле Нернста. В числителе приводится
внеклеточная концентрация положительно заряженного иона, а
внутриклеточная концентрация этого иона приводится в знаменателе;
для отрицательно заряженных ионов расположение указанных
параметров в формуле противоположное:
0,
где Е
– потенциал, создаваемый данным ионом (Х); R – газовая
х
постоянная (8,31 Дм); Т – абсолютная температура (273 + 37 °С); Z валентность иона; F - постоянная Фарадея (9,65×104); o концентрация иона во внешней среде клетки (outside); i -
16
концентрация иона внутри клетки (inside).
Равновесный потенциал для К
+
при температуре 37°С с учетом
соотношения концентрации его снаружи и изнутри 1:39 и
валентности равной единице составляет -97 мВ. Однако реальный
потенциала покоя миоцита теплокровного животного несколько
больше – около -90 мВ. Это объясняется участием в создании
потенциала покоя и других ионов, хотя их вклад менее значителен по
сравнению с ролью К+. Равновесный потенциал для ионов Na+ равен
+55 мВ. Потенциал покоя – это алгебраическая сумма равновесных
потенциалов всех ионов внутри и вне клетки, в том числе и
поверхностных зарядов клеточной мембраны, создавемый
гликопротеидами, фосфолипидами и гликолипидами мембраны.
Вклад С1- и Na+ в создание потенциала покоя невелик, так как
проницаемость клеточной мембраны в покое для них очень низкая.
Она намного ниже, чем для ионов К
+
. Роль ионов Са2+ в
формировании потенциала покоя состоит в том, что эти катионы
взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными
зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными
группами интерстиция, нейтрализуют их Это ведет к увеличению
потенциала покоя и к его стабилизации.
Роль проницаемости мембраны клетки в формировании
потенциала покоя иллюстрируется на модельном опыте (рис. 4).
Сосуд разделен полупроницаемой мембраной (3). Обе его
половины заполнены растворами K2SO4 с концентрацией С1 и С2,
, то
2
+
причем С1< С2. Полупроницаемая мембрана проницаема для ионов К
и непроницаема для ионов SO
2-
. Ионы К
4
концентрационному градиенту переходят из раствора С
Поскольку ионы SO
между растворами С
2-
не могут пройти в раствор С1 из раствора С
4
и С2 формируется разность электрических
1
+
согласно
в раствор С1.
2
потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу
(Ек). В растворе С
остается больше отрицательно заряженных ионов.
2
Поверхностные заряды мембраны клетки также участвуют в
формировании потенциала покоя. Они несут преимущественно
отрицательный заряд. Это полярные молекулы мембраны клетки –
гликолипиды, фосфолипиды и гликопротеиды. Эти отрицательные
заряды, нейтрализуя положительные заряды на внешней поверхности
мембраны, уменьшают величину потенциала покоя. Фиксированные
внутренние отрицательные заряды мембраны клетки, суммируясь с
анионами внутри клетки, напротив, увеличивают величину
17
потенциала покоя. Таким образом, потенциал покоя – это
алгебраическая сумма всех зарядов ионов вне и внутри клетки и
поверхностных зарядов самой клеточной мембраны.
Рис. 4. Модельный опыт, иллюстрирующий роль избирательной
проницаемости мембраны для отдельных ионов в формировании потенциала
покоя. Раствор K2SO4, С- концентрация, С1<С2: 1,2 – электроды; 3 –
регистратор; малые кружки ионы K+; большие кружки – ионы SO
2-
4
Повреждение клетки повышает проницаемость ее мембраны, в
результате чего различие проницаемость для ионов К+ и Na
+
уменьшается; величина потенциала покоя при этом снижается. Такие
изменения (снижение ПП) встречаются, например, при ишемии ткани
(миокарда).
Роль ионных насосов в генерации потенциала покоя. Ионный
насос – это транспортная система, которая обеспечивает перенос иона
с затратой энергии (АТФ) против концентрационного и
электрического градиента. В плазматической мембране возбудимых
клеток имеется Nа/К – насос. Он за один цикл выкачивает из клетки
три иона натрия и закачивает в клетку два иона калия. Работа Nа/К насоса поддерживает избыток положительно заряженных частиц вне
клетки и отрицательных зарядов внутри клетки. Nа/К – насос
дополнительно увеличивает потенциал покоя примерно на 10%. То
есть роль насоса незначительна в генезе ПП. Решающим фактором в
формировании потенциала покоя является избирательная
проницаемость мембраны клетки для разных ионов. Если уровнять
проницаемость мембраны для всех ионов, то потенциал покоя
составил бы – 10 мВ за счет работы Nа/К- насоса.
18
1.1.4. Потенциал действия
Потенциал действия – это электрофизиологический процесс,
который выражается в быстром колебании мембранного потенциала
вследствие изменения проницаемости мембраны клетки и диффузии
ионов в клетку и из клетки. ПД способен распространяться без
затухания.
Роль потенциала действия: обеспечивает передачу нервных
сигналов между нервными клетками, нервными центрами и рабочими
органами. В мышцах он обеспечивает процесс электромеханического
сопряжения возбуждения и сокращения мышечном волокне. Схема
генерации потенциала представлена на рис. 5, А.
Рис. 5. Процесс возбуждения клетки: А – схема ПД; его фазы: 1 –
деполяризация, 2 – инверсия, 3 – реполяризация; Б – изменение проводимости
ионов натрия (gNa+) и (gK+) через мембрану гигантского аксона кальмара во
время генерации потенциала действия и в различные фазы ПД (Агаджанян,
2007)
Параметры потенциала действия вариабельны: амплитуда - -80
-130 мВ; длительность потенциала действия нервного волокна
составляет 1-2 мс, волокна скелетной мышцы – до 10 мс.
Длительность потенциала действия сердечной мышечной клетки
(кардиомиоцита) – около 300 мс.
Амплитуда потенциала действия не зависит от силы
раздражения – она всегда максимальна для данной клетки в
конкретных условиях. Потенциал действия подчиняется закону «все
или ничего», но не подчиняется закону силы. Потенциал действия не
возникает при раздражении клетки, если оно мало, или достигает
19
максимальной величины, если раздражение является пороговым или
сверхпороговым. Слабое подпороговое раздражение вызывает
локальный потенциал (ЛП). Локальный потенциал подчиняется
закону силы: с увеличением силы стимула величина его возрастает.
Механизм возникновения потенциала действия. Потенциал
действия представляет собой процесс быстрого движения ионов Na+ в
клетку, а ионов К
+
- из клетки, вследствие фазовых изменений
проницаемости мембраны. Величина мембранного потенциала при
этом вначале быстро снижается, а затем снова восстанавливается до
прежнего уровня.
Выделяют три фазы потенциала действия:
1.Фаза деполяризации – уменьшение заряда клетки до нуля (см. рис.
5, А, 1), развивается при действии на клетку электрического тока,
медиатора. Начальная частичная деполяризация мембраны клетки
происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Поэтому,
несмотря на наличие движущей силы – концентрационный и
электрический градиенты, движение ионов N
+
в клетку через быстрые
электроуправляемые N+ – каналы отсутствует. Клетка внутри
заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к
другу), а концентрация ионов Nа+ вне клетки в 14 раз больше, чем
внутри клетки. Условием же, обеспечивающим вход ионов Nа+ в
клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны,
которая определяется состояние воротного механизма Nа – каналов.
В некоторых клетках, например, в кардиомиоцитах, в волокнах
гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют
управляемые каналы для Са2+. Суммарный ток ионов в любой момент
определяется числом открытых каналов мембраны клетки и наличием
электрохимических градиентов ионов.
Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное
пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь
цитоплазмы клетки. Воротный механизм натриевых каналов
расположен на внешней и внутренней сторонах мембраны клетки, а
воротный механизм калиевых каналов – на внутренней стороне
мембраны, так как ионы К
+
движутся из клетки наружу. В каналах
для ионов Nа+ имеются активационные m – ворота, которые
расположены с внешней стороны мембраны, так как ионы Nа+
движутся внутрь клетки во время ее возбуждения, и
инактивационные h – ворота, расположенные с внутренней стороны
мембраны. В условиях покоя активационные m – ворота закрыты,
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]