Потенціал дії

Збудливість притаманна тканинам, які здатні реагувати на подразнення процесом збудження, поширення якого по збудливих тканинах призводить до прояву специфічної реакції.К таким тканинам відносяться нервова, м’язова та секреторна. Збудливість залежить від ряду факторів, а саме:

1) приналежності тканини ( нервова – м'язова – залозиста );

2) у межах однієї тканини – від її розташування, наприклад залозиста тканина – шлункові – підшлункова – кишкові залози;

3) від ступеня диференціювання тканини;

4) від температури тіла;

5) від фізіологічного стану організму;

6) від застосування хімічних речовин – малі дози підвищують збудливість, великі – знижують.

Збудження тканин в живому організмі виникає під впливом нервової системи. Нервовоа система, в свою чергу, отримують імпульси збудження від чутливих специфічних закінчень – рецепторів.

В експерименті можна отримати відповідь на будь-яке подразнення, але бажано, щоб це був електричний подразник певної сили.

Під подразником розуміють фактор зовнішнього або внутрішнього середовища, який спроможний впливати на живу тканину. Подразники можна класифікувати за різними ознаками:

1. За місцем дії – зовнішні, внутрішні (нервові імпульси, гормони, продукти обміну речовин).

2. За біологічною дією на тканину – адекватні, неадекватні.

3. За природою подразників (це, в основному, стосується зовнішніх подразників) механічні, термічні, хімічні, біологічні і електричні.

4. За силою подразники поділяться на:

а) підпорогові;

б) порогові;

в) надпорогові:

• оптимальні;

• надмаксимальні (позамежові, песимальні).

Під дією подразника в клітині змінюється швидкість обміну речовин, споживання кисню, виділення вуглекислого газу, зміна температури тощо. На мембрані клітини знижується потенціал, який відновлюється після закінчення дії подразника.

Це відноситься до всіх клітин, але збудливі тканини відповідають на подразнення дещо інакше. В них за певних умов виникає процес збудження – перехід тканини в діяльний стан і відповідь на подразнення специфічною відповідною реакцією. Такими специфічними реакціями є: для нервової тканини – проведення нервового імпульсу, для м'язової тканини (непосмугованої і посмугованої) – скорочення, для епітеліальної залозистої тканини – виділення секрету.

Збудження виникає тільки за таких умов:

1. За певної сили подразника.

2. За певної швидкості нанесення подразнення.

3. За певної тривалості дії подразника.

Відповідь клітини на подразнення різної сили неоднакова.

До підпорогових подразників відносяться подразники такої сили, які викликають тільки локальний потенціал, але не викликають збудження. Особливостями локального потенціалу є те що він залежить від сили подразнення і зростає досить повільно, зникає після того, як припиняється подразнення. Він здатний до сумації, але нездатний до незатухаючого розповсюдження.

Всі надпорогові подразники завжди викликають відповідну реакцію, яка може бути різною, в залежності від сили подразника. Оптимальні за силою подразники викликають максимальне збудження, надмаксимальні – песимальну відповідь.

Крім визначеної сили подразника для розвитку збудження важлива і швидкість нанесення подразнення або, краще сказати, градієнт подразнення. Градієнт подразнення – це швидкість зростання сили подразника.

Якщо збільшення сили подразника відбувається повільно, збудження може і не виникнути. Так, під час повільного здавлювання нерва відбувається його подразнення, але збудження не виникає. Під час повільного нагрівання м'яза або нерва, в тканині може статися денатурація білків, але збудження не відбувається. Пристосування збудливої тканини до повільно наростаючої сили подразника називають акомодацією. Різні тканини, клітини та їхні структурні елементи (рецептори тощо) мають різну акомодацію. За максимально швидкого наростання сили подразника, поріг збудження знижується. Тривалість дії подразника має певну залежність від сили подразника.

Для виміру збудливості можна користуватися декількома показниками, один із яких – гранична сила подразника. Показник граничної сили дії подразника характеризує фізіологічний стан збудливої тканини. Чим збудливість тканини вище, тим нижче гранична сила для розвитку процесу збудження, і навпаки. Мінімальна сила подразника, яка спроможна викликати збудження, називається реобазою. Якщо побудувати графік, у якому на осі ординат буде відкладена сила подразника, а на осі абсцис – мінімальний час її дії, тоді одержимо криву сили – часу. Найменший період часу, протягом якого має діяти струм силою в одну реобазу, щоб викликати потенціал дії, називається корисним часом.

Є певна залежність між силою і тривалістю дії подразника. Чим сильніше подразник, тим більш короткий час його дії, який потрібен для виникнення збудження. Проте за сили подразника в одну реобазу, навіть на дуже чутливих приладах, важко визначити корисний час, оскільки незначним змінам сили подразнення будуть відповідати великі зміни в часі.

Піддавши математичному аналізу криву сили – тривалості, Л. Лапік (1908) прийшов до висновку, що для характеристики збудливості за часом дії подразника потрібно взяти час дії подвоєної граничної сили цього подразника. Тоді точка, що відповідає часу дії подвоєної граничної сили, буде знаходитися у місці перегину (крутого вигину кривої; у цьому випадку тривалість подразнення визначається точно). Отже, більш точно збудливість буде характеризуватися показником, що називається хронаксією (мал 2.3).

Мал.2.3. Залежність між силою і тривалістю подразнення збудливої тканини:

А – реобаза; Б – подвоєна реобаза; а –корисний час; б - хронаксія

Хронаксія – мінімальний час, необхідний для виникнення збудження тканини за дії подвоєної реобази (подвоєної граничної сили подразника). Хронаксія виражається в тисячних частках секунди (у мілісекундах) або сигмах. Чим менше хронаксія, тим вище збудливість тканини. Хронаксію тканин вимірюють спеціальним приладом – хронаксиметром. Спочатку визначають реобазу, потім її подвоюють і визначають мінімальний час дії подразника силою у дві реобази, яка необхідна для виникнення збудження. Вимір хронаксії проводять не тільки в експериментальній фізіології, але й для об'єктивної оцінки фізіологічного стану тканини або органа.

Дослідженням встановлено, що хронаксія є змінною величиною. ЇЇ величина залежить від структури, фізіологічного стану тканини, органу і всього організму в цілому. Так, хронаксія рухових нервів менше, ніж скелетних м'язів. Наприклад, хронаксія рухових нервів коливається від 0,09 до 0,2 мс, а хронаксія скелетних м'язів – від 0,2 до 0,4 мс. Нерви вегетативної нервової системи мають дуже високу хронаксію (біля 5 мілісекунд). Найвища хронаксія, що вимірюється не мілісекундами, а сотими і десятими частками секунди, у непосмугованих м'язів шлунку і кишечнику.

Якщо при подразненні процес розвивається тільки в місці його нанесення і не поширюється по тканині, то при збудженні процес, який виникає в одному місці, поширюється по всій мембрані клітини, а іноді переходить і на сусідні тканини і органи. Збудливими в організмі риб є нервова, м'язова і залозиста тканини. Процеси, що відбуваються в них при збудженні, в принципі майже не відрізняються, але мають певні розходження в деталях.

Початковою реакцією клітини на подразнення є зміна проникності клітинної мембрани в місці подразнення. При цьому іони натрію миттєво проникають всередину клітини, змінюючи негативний заряд на позитивний.

Потенціалом дії (ПД) називають швидке коливання МПС, що виникає під час збудження клітини. В основі ПД лежать зміни електричної (іонної) провідності клітинної мембрани. Амплітуда і тривалість ПД окремої клітини мало залежать від сили подразнення, важливо лише, щоб ця сила досягла певного критичного значення — порогової сили подразнення. ПД, що виникає у місті подразнення, поширюється вздовж нервового чи м'язового волокна, не змінюючи своєї амплітуди. Наявність порогу подразнення і незалежність амплітуди ПД від сили подразнення підпорядковуються закону "все або нічого".

Для реєстрації ПД використовують поза- і внутрішньоклітинні електроди. При позаклітинному відведенні електроди підводять до зовнішньої поверхні клітини (волокна). Реєстрація ПД за допомогою позаклітинних електродів показала, що поверхня збудженої ділянки на дуже короткий час (мілісекунди) стає зарядженою негативно відносно сусідньої не збудженої ділянки (мал 2.4).

Мал. 2.4. Механізм виникнення двофазного потенціалу дії: а, б — відвідні електроди

При внутрішньоклітинному відведені можна кількісно охарактеризувати зміни МПС при генерації ПД. У типовому внутрішньоклітинному ПД розрізняють пік (верхівку), висхідну, низхідну фази і слідові потенціали. Встановлено, що під час висхідної фази ПД відбувається не просто зникнення трансмембранної різниці потенціалів (деполяризація мембрани), а виникає різниця потенціалів протилежного знака (овершут), внутрішня частина мембрани в ділянці генерації ПД стає на певний час зарядженою позитивно відносно зовнішньої частини мембрани, зарядженої негативно.

Під час низхідної фази ПД відновлюється початкове значення МП (реполяризація мембрани). Тривалість піку ПД різних збудливих тканин варіює від 0,5 до 3 мс. Зміни поляризації мембрани, які спостерігаються після завершення високовольтної частини ПД (піку), називають слідовими потенціалами. Розрізняють два види слідових потенціалів — слідову деполяризацію (слідовий негативний потенціал) і слідову гіперполяризацію (слідовий позитивний потенціал), амплітуда яких не перевищує кількох мілівольт (5-10% рівня піку), а тривалість буває різною — від кількох мілісекунд до десятків секунд .

Іонний механізм генерації ПД. В основі генерації ПД лежать зміни проникності клітинної мембрани, що виникають послідовно за часом. У момент подразнення провідність мембрани для Nа⁺ зростає. Nа⁺ починає надходити в клітину, знижуючи внутрішній негативний заряд мембрани, тобто виникає деполяризація клітинної мембрани. При досягненні мембраною певного — критичного — рівня деполяризації виникає лавиноподібний потік Nа⁺ всередину клітини, що зумовлює появу висхідного коліна ПД. Заряд мембрани в місці подразнення змінюється — виникає реверсія знака МП.

Натрієва провідність досягає максимуму менш ніж за 1 мс після початку ПД, а потім різко знижується, зникаючи зовсім протягом 0,5 мс, хоча деполяризація мембрани ще зберігається. Це явище називають натрієвою інактивацією, яка існує доти, доки триває деполяризація мембрани. Натрієва активаційна система відновлюється, коли МПС повертається до початкового рівня або навіть при певній гіперполяризації мембрани

Зміни збудливості клітини під час збудження. Процес збудження проходить ряд фаз, під час яких змінюється збудливість тканини. Поява місцевого збудження, що не поширюється, характеризується невеличким, дуже коротким за часом, підвищенням збудливості. При переході місцевого збудження в таке, що поширюється, виникає пік потенціалу дії, обумовлений переходом іонів натрію всередину клітини, і збудливість тканини різко падає. Стан тканини, коли вона після подразнення тимчасово не реагує на повторне подразнення будь-якої сили, називається абсолютною рефрактерністю. Потім протягом кількох мілісекунд після закінчення абсолютної рефрактерності нове збудження можна викликати лише більшою силою подразнення, ніж перший ПД. Значення ПД в цей час також зменшене, оскільки натрієва система не повністю відновлена після інактивації під час першого ПД. Цей відрізок часу, протягом якого відбувається відновлення збудливості клітини, називають відносним рефрактерним періодом.

Абсолютний рефрактерний період обмежує максимальну частоту генерації ПД живою клітиною. Оскільки у більшості нервових клітин ПД триває близько 2 мс, то максимально можлива частота генерації ПД у них буде 500 за 1 с. Проте є клітини із ще коротшим рефрактерним періодом, які мають частоту генерації до 1000 за 1 с. Зазвичай частота генерації ПД в ЦНС не перевищує кількох десятків ПД за 1 с.

Після фази абсолютної рефрактерності збудливість тканини поступово відновляється до вихідного рівня. Цей період зниженої збудливості одержав назву відносної рефрактерності. Фаза відносної рефрактерності збігається із переходом піку в негативний слідовий потенціал. Відносна рефрактерність продовжується в нервових волокнах від 0,001 – 0,01 с, а в м'язах до 0,03 с. У цю фазу можна, використовуючи більш сильний подразник, викликати новий імпульс збудження. Потім наступає фаза підвищеної збудливості або екзальтаційна. Вона триває в нерві – 0,02, а в м'язі – 0,05 с.

Цей період підвищеної збудливості збігається зі слідовою електронегативністю.

Під час слідової деполяризації збудливість клітини підвищується (фаза екзальтації), а під час слідової гіперполяризації — знижується, оскільки значення МПС у цей час зростає, при цьому збільшується і критичний (пороговий) рівень деполяризації мембрани.

У живій клітині існують дві системи руху іонів крізь мембрану. Одна із них здійснюється за градієнтом концентрації іонів і не потребує витрати енергії — це пасивний іонний транспорт. Він відповідає за підтримання МПС і виникнення ПД, здійснюється через іонні канали. Друга система руху іонів крізь мембрану відбувається проти концентраційного градієнта і полягає у "викачуванні" Na⁺ із цитоплазми і "закачуванні" К⁺ всередину клітини за допомогою іонних насосів. Цей механізм можливий тільки із витратами енергії і називається активним іонним транспортом.

Функції іонних каналів. У клітинній мембрані існують пори, або канали. Терміном "канал" позначають той шлях, яким іони проходять крізь мембрану за електрохімічним градієнтом. У клітинній мембрані існує кілька різних іонних каналів: селективних та неселективних. Перші пропускають лише якийсь певний іон: Na⁺, К⁺ або Са²⁺, а другі — кілька іонів. Крім того, селективні канали поділяють на потенціалозалежні, потенціалонезалежні (хемочутливі) і канали витоку.

Потенціалозалежні канали. Провідність цих каналів контролюється рівнем МПС, тобто ці канали відкриваються (активуються) і закриваються (інактивуються) у відповідь на зміни МПС. Потенціалозалежні канали функціонують в електрозбудливих мембранах і беруть участь у генерації ПД. Електрична збудливість пов’язана із існуванням у таких каналах особливого молекулярного пристрою — воріт, відкривання і закривання яких визначається електричним полем мембрани.

Ворота можуть перебувати тільки у двох положеннях: повністю відчиненими чи повністю зачиненими, тому провідність поодинокого іонного каналу є сталою. Через відкриті канали іони рухаються за концентраційним і електрохімічним градієнтами. Ці потоки іонів зумовлюють зміну МПС, що, в свою чергу, змінює середню кількість відкритих каналів і відповідно рівень іонних струмів.

Потенціалозалежними є натрієві, калієві і кальцієві канали. Натрієві і кальцієві канали відповідають за ранній (початковий) струм вхідного (в клітину) напрямку, а калієві — за пізній (відставлений) струм вихідного (з клітини) напрямку.

Натрієвим каналам властива досить висока, але не абсолютна вибірковість Nа⁺, оскільки більшою або меншою вони є проникними також для іонів літію, талію і навіть деяких органічних катіонів (гідразин, амоній). Отвір натрієвого каналу має прямокутну форму розмірами 0,3х0,3 нм. Вузька частина каналу, що є селективним фільтром, дуже коротка і має одиничний негативний заряд. Цей заряд притягує катіони, відштовхує аніони, забезпечуючи вибіркову проникність для Nа⁺ і подібних до нього катіонів (мал 2.5).