фізіологія Плиска остання

дії більшості нервових та м'язових волокон дорівнює 120-130 мВ, тривалість 0,3-10 мс, швидкість поширення окремими волокнами досягає 120 м/с, довжина хвилі (довжина волокна, на якому виникає потенціалдії) — до5 см.

Для розуміння механізму виникнення потенціалу дії необхідно також ввести поняття критичного рівня деполяризації (Екр). Це вели-

чина мембранного потенціалу, з якого розвивається лавиноподібний, регенераторний процес. Екр відображає співвідношення між кількістю відкритих натрієвих і калієвих каналів, точніше — коли виникає рівність вхідного натрієвого і вихідного калієвого струмів. З цієї миті вихідний калієвийструм вже не зможе гальмувати (шунтувати) розвиток потенціалу дії. Зростання абсолютної величини потенціалу спокою знижує збудливість, зменшення — підвищує. «Порогова деполяризація», або порогова сила — це величина, на яку необхідно змістити мембраннийпотенціалспокоюклітини, длятогощобдосягти Екр- AV= ЕПС- £кр. Пороговий потенціал — це єдина характеристика, яка визначає рівень збудливості клітини. Однак виміряти його можналишемікроелектроднимметодомупоодинокихклітинах. Порогова сила подразника — цета мінімальна величина, зякою вінповинен діяти, щоб викликати потенціал дії. Величина потенціалу, при якій розвивається потенціал дії, називається троговою. .

Під час розвитку потенціалу дії виникає рефрактерність (незбудливість) мембрани. Рефрактерність (рис. 12) поділяється на абсолютну (повторні потенціали дії неможливо викликати) і відносну (потенціал дії можна викликати надпороговими подразника1 ми). Абсолютна рефрактерність обумовлена тим, що швидкі натрієві канали перебувають в активованому стані або інактивовані. Поступове відкриття інактиваційних і закриття активаційних воріт відновлює збудливість мембрани.

Потенціал дії — це збудження, яке самопоширюється, на відміну від місцевого, яке не поширюється.

Механізми електричного подразнення нервових і м'язових волокон

Електричний струм — це універсальний подразник збудливих структур. Обумовлено це тим, що його природа й природа збудження однакові. Крім того, електричний струм легко дозувати за всіма його параметрами: силою, напрямком, крутизною наростання татривалістюдії.

При зміні мембранного потенціалу клітинної мембрани за відсутності відкриття потенціалзалежних каналів зміни мембранного

43

потенціалу спокою матимуть назву пасивних, або електротонічних. Самі потенціали — електротони (в ділянці катода — кат-, анода — анелектротони). Або це — кателек-

тротонічний і анелектротонічний потенціали. Пасивні властивості мембрани обумовлені її будовою і пов'язані з її ємністю та опором

(рис. 13).

Мембранапобудованазбішаруліпідів (переважно фосфатидилхолін і гліколіпіди, холестерол і фосфоліпіди), оточених периферійними білками, та інтегральних білків, які прони-

зують мембрану й утворюють іонні канали. Молекула фосфоліпіду складається з полярної (гідрофільної) частини (головка) та аполярної — (гідрофобний) подвійний хвіст. У водному середовищі гідрофобні частини молекул агрегують і розташовуються всередині бішару (хвіст до хвоста), гідрофільні(головки) — розташованіназовні, доводноїфази. Такформується каркас мембрани у вигляді бішару. При електронній мікроскопії мембрана тришарова: гідрофільні зовнішні (світлі) і внутрішній електрон- но-щільний (темний). Рідинно-кристалічний стан мембрани визначає стійкість (рухливість) мембрани. За Сінгером, це обумовлено трьома видами рухів ліпідів: а) сегментарним («фліп-флоп» — переміщення внутрішніх головок ліпідів на місце зовнішніх і навпаки); б) обертальним; в) латеральної дифузії. Ліпіди мембрани забезпечують її рухливість(текучість) та цілісність (міцність) і в цілому динамічний стан.

Неполярні речовини (холестерин і його похідні) вільно проникають крізь біомембрани, і їхні рецептори розташовані в цитоплазмі. Полярні сполуки (пептидні гормони) транспортують усередину за механізмом ендоцитозу, назовні — екзоцитозу, тобто за допомогою пухирців. Рецептори вбудовані в плазматичну мембрану, а сигнал до внутрішньоклітинних структур передається за допомогою внутрішньоклітинних (вторинних) посередників. Трансмембранне перенесення цих сполук здійснюють спеціально вбудовані в мембрану системи. З мембранних фосфоліпідів виділяється арахідонова кислота — попередник простагландинів, тромбоксанів, лейкотрієнів та інших біологічно активних речовин з численними функціями (медіатори запалення, вазоактивні фактори, вторинні посередники тощо).

Наповерхніможутьрозміщуватисяполісахариди, щонадаютьантигенної специфічності клітинам. Вуглеводи можуть бути також рецепторами, з якими зв'язуються високоактивні гуморальні речовини. Після чого активуються інтегральні білки з активацією каскаду внутрішньоклітинних білків, які каталізують певні реакції.

44

Плазматична мембрана із зовнішнім шаром полісахаридів, що містить численні тонкі колагенові волокна, називається сарколемою. Зовнішні мукополісахариди відповідають за імунологічні властивості клітин. До клітинних мембран прилягають шари (в основному) невизначеної структури. Вони містять фібрили і разом утворюють базальну мембрану (пластину — міжклітинний матрикс), яка складається з багатьох білків, що утримують клітини разом. Вони впливають на розвиток і ріст клітин. Це колаген, ламініни, фібронектин та протеоглікани. Зовнішня оболонка має великий негативний заряд, що є причиною зв'язування катіонів (наприклад — Са2+). Ліпопротеїди, оточені білками, створюють аналогію конденсатора з певною ємністю; потенціалзалежні іонні канали відкриваються

іпочинають проводити іони лише при певному мембранному потенціалові, створюючи опір мембрани. Тому мембрану можна представити у вигляді електричної схеми, де опір увімкнутий паралельно конденсаторові (рис. 13, 6). Інтегральні білки здатні до латеральної рухливості, перерозподіляючись у мембранах в результаті взаємодії з периферичними білками, елементами цитоскелета, молекулами в мембрані сусідньої клітини

ікомпонентами позаклітинного матриксу. Таку рідинно-мозаїчну модель мембрани запропонували Сінгер і Ніколсон.

Системи, які беруть участь у транспорті електронів і фосфорилюванні в мембрані мітохондрій та пов'язані одна з одною структурно, Ленінджер назвав «твердофазною ензимологією». Ферменти комплексу хоча й «розчинні» в клітинному гелі, але підпорядковуються складній компартменталізації. Ліпідний бішар впливає на роботу білків (K+-Na+-ATO-a3n). Так текучість мембрани зменшиться при зростанні вмісту холестерину і зросте при підвищенні вмісту ненасичених або гідрофобних хвостів фосфоліпідних молекул, що галузяться. Мембрана вибірково проникна, забезпечує міжклітинну взаємодію, ендота екзоцитоз. Іонні канали складаються з транспортних систем і воротного механізму («воріт»). Селективність каналів визначається їхньою геометрією (діаметр гирла і селективність фільтра) та внутрішньоканальним розміщенням заряджених часток. При проходженні через канал, наприклад Na+, іон звільняється від гідратної оболонки і проходить його в «голому» вигляді. Відкриття, закриття та інактивація воріт (конформаційні зміни ділянок білків, з яких складається даний канал) залежать від мембранного потенціалу. Натрієві канали мають ворота активаційні (ти-ворота) та інактиваційні (/г-ворота), калієві — тільки активаційні. У стані спокою m-ворота закриті, А-ворота — відкриті (рис. 10). Деполяризація відкриває m-ворота, закінчення її закриває h-во- рота. Надалі/г-воротаповільновідкриваються, ти-вороташвидкозакрива- ються, відновлюючи попередній стан клітини. Відповідно при малих струмах спостерігається поступове зарядження ємності С, і струм через R не протікає. Зміни потенціалу на обкладинках цього конденсатора залежать від t ~ постійної часу мембрани. її величина дорівнює RC. Зрозуміло, що чим менший добуток, тим швидше наростає потенціал, і навпаки.

При силі подразника менше 50% порогової величини спостерігаються тільки пасивні зміни мембранного потенціалу у вигляді

45

зміни її ємності. Це електротони. Якщо подразникмає50 % ібільше пороговоївеличини, тоцевикликаєнетількивідповіднупасивнудеполяризацію клітинної мембрани, а йактивну — внаслідоквідкриття швидких потенціалзалежних натрієвих каналів (активна відповідь мембрани). Струм починає протікати і через опір R. Пасивна й активна складові сумуватимуться (рис. 13 а, б). При поступовому збільшенні подразника сума пасивної та активної складовихвідповідей мембрани досягне Екр і почне розвиватися лавиноподібний, регенераторний процес. Цієї ж миті вхідний натрієвий струм зрівняється з вихідним калієвим і останній вже не зможе шунтувати його. Ця мінімальна величина електричного подразника, що може спричинити розвиток потенціалу дії, називається реобазою. Подальше збільшеннясилиподразника практичноневідбиваєтьсянавеличині і властивостях потенціалу дії. Змінюється тільки крутизна його наростання. Тобто величина деполяризації впливає на процеси активаціїтаінактивації воріт, щопевноюміроюсупроводжуєтьсязміною кількості одночасно відкритих каналів.

Активніпідпороговівідповідімембраниназиваютьмісцевим(ло-

кальним) збудженням.

Властивості, характерні дляпоширюваногоімісцевогозбудження: потенціалдіїпідпорядковуєтьсязакону«всеабонічого» (змінюється тільки крутизна його наростаня), місцеве збудження — закону силових відносин; потенціал дії супроводжується рефрактерністю, локальні відповіді — навпаки, підвищеною збудливістю; потенціал дії самопоширюється, місцеве збудження або не поширюється, або поширюється на коротку відстань і згасає; потенціали дії не сумуються, локальнівідповіді— навпаки, сумуються.

Насправді для виникнення потенціалу дії необхідно враховувати не тільки силу подразника, а й його тривалість, крутизну наростання та полярність. Так, при поступовому зменшенні часу дії подразниканастаємомент, колизбудженняневиникає, якоїбвеличини не був подразник. Обумовлено це тим, що в результаті дуже коротких стимулів електричного струму сума пасивної та активної (не встигають відкритися m-ворота швидких потенціалзалежних натрієвихканалівівиникаєтількирухмолекул іатомів— їхколивання в один та інший бік) складових не встигає досягти Екр. Результат цього — тепловий ефект, який успішно застосовується в медицині у вигляді прогрівання тканин струмами надвисокої частоти. Тому мінімальний час дії подразника, потрібний для того, щоб електричний струм величиною в одну реобазу викликав потенціал дії, називається корисним часом. На практиці частіше користуються хронаксією. Хронаксія — це час, протягом якого повинен діяти електричний струм, що за величиною дорівнює двом

46

збудження, вважали, що подразник миттєво досягає заданої величини. Насправді завжди існує певний час для його досягання — це крутизнанаростанняподразника(електричногоструму). Дослідженнями встановлено, що зі зменшенням крутизни наростання сили подразника зростають час дії та сила подразника, необхідні для виникнення потенціалу дії (закон градієнта подразнення). Крім того, це збудження буде зменшуватися за амплітудою і тривалістю. По- в'язано це з тим, що при повільному наростанні сили подразника встигаютьвідкриватисянетількишвидкі натрієві, айбільшповільнікалієвіканали. Тому вихіднийкалієвий струм шунтуватимевхідний натрієвий, і умова рівності вхідного й вихідного струмів для розвитку потенціалу дії буде досягнута призначнобільшійсилі подразливогоструму. Як наслідок— зростеЕкр. Подібне явищезниження збудливості отримало назву катодичної депресії Вершо. Раннє збільшення вихідного калієвого струму також зменшує амплітуду й тривалість потенціалу дії у таких випадках. Цьому сприяє те, що до моменту розвитку потенціалу дії частина швидких натрієвих каналів встигає інактивуватися. Тому на пікові деполяризації сумарний натрієвий струм ще більше зменшиться і при крутизні наростання подразника меншійзапевну величину рівністьвхідноготавихідного струмів не буде досягнута взагалі, оскільки дедалі більше швидких натрієвих каналів встигає не тільки активуватись, а й інактивуватися. Розвинеться стан незбудливості мембрани. Сам процес

Проведення збудження нервовими і м'язовими волокнами та через нервово-м'язові синапси

Одна з властивостей збудливих тканин — провідність. Якщо викликатизбудженнявпевнійділянцінервовоговолокна, тоостаннє пошириться по всій його довжині. Механізм поширення полягає в тому, що між деполяризованою і недеполяризованою ділянками мембрани виникає різниця потенціалів, яка генерує місцеві струми. При певній різниці потенціалів величина місцевих струмів буде

48

достатньою для деполяризації сусідньої незбудженої ділянки мембрани до Екр з розвитком потенціалу дії. Останній спричинить у цій ділянці виникнення різниці потенціалів з наступною незбудженою ділянкою мембрани з виникненням місцевих струмів і надалі — потенціалу дії. Цей процес буде продовжуватися доти, поки збудження не пошириться по всій мембрані (рис. 17, а). Поширенню потенціалу дії у зворотний бік запобігатиме розвиток в попередній ділянці рефрактерності мембрани. До того ж при реєстрації поширення збудження ми отримаємо двофазний потенціал дії.

Рис. 17. Механізм проведення збудження нервовими волокнами: а— безмієліновими, б— мієліновими

потенціалу дії по волокну визначається біологічними (анатомічними, фізіологічними) і фізичними факторами, які певною мірою взаємопов'язані. До фізіологічних відносять параметри потенціалу дії: амплітуду, крутизну наростання потенціалу дії, Екр та порогову силу подразника (AV). Так, чим більші амплітуда потенціалу дії, крутизна його наростання і менше ДV, тимшвидше місцева деполяризація (кателектротонічний потенціал і локальна відповідь) досягатиме Екр і як результат розвиватиметься потенціал дії у сусідній незбудженій ділянці. Крім того, швидкість поширення збудження залежить від фізичних величин — співвідношення між опором мембрани клітини й опором цитоплазми. Чим більше це співвідношення, тим більша швидкість поширення. Із збільшенням діаметра волокна кількість носіїв електричного струму на одиницю довжини зростає. Це супроводжується зменшенням опору аксоплазми на одиницю довжини. У результаті швидкість проведення збільшиться.

Анатомічні фактори — це вид (нервові або м'язові) та тип (мієлінові або безмієлінові) волокон і відстань між перехватами Ранв'є.

ВідношенняамплітудипотенціалудіївмВдопорогадеполяризаціїотрималоназвуфакторанадійності(гарантійнийфактор). Зрозуміло, чим він більший, тим більша швидкість поширення збудження.

Особливістюпроведеннямієлінових нервових(біологічнийфактор) волокон є те, що мієлінова оболонка (шари модифікованої плазмолеми швановських клітин містять велику кількість сфінголіпідів; схожа будова й олігодендрогліоцитів центральної нервової системи) є хорошим ізолятором і тому збудження такими волокнами поширюється стрибкоподібно (сальтаторно) міжперехватними ділянками (рис. 17, б). Цьому сприяє значно більша щільність швидких потенціалзалежних натрієвих каналів у зазначених місцях. Зростання швидкості обумовлено тим, що немає необхідності деполяризувати кожну наступну ділянку волокна. Таке проведення економічніше з точки зору енергозатрат для підтримання постійності градієнта концентрації іонів. Зі збільшенням довжини міжперехватних ділянок зростає швидкість проведення. Наявність мієліна підвищує швидкість проведення приблизно в 50 разів.

Передавання інформації нервовими волокнами частіше спостерігається на зразок серій потенціалів дії і навіть сукупності серій не одним, а декількома волокнами. Це надійність проведення й більша інформативність. Дотогож інформація поширюєтьсяза точноюадресою, без спотворення та з високою швидкістю. При реєстрації сумарного потенціалу дії цілого нерва внаслідок різної швидкості проведення збудження по його окремих нервових волокнах на електрограмі спостерігається багато піків.

50

Проведення потенціалу дії нервовими та м'язовими волокнами підпорядковується певним законам: а) проведення можливе лише при анатомічній і фізіологічній цілісності волокна, б) збудження поширюється ізольовано (протидіє опір міжклітинної рідини й це забезпечуєточну адресність іпередачу безспотворення), в) двостороннє проведення (в організмі спостерігається лише одностороннє, що обумовлено рефрактерністю попередньої ділянки мембрани та наявністю хімічних синапсів і це забезпечує точну адресність передачі), г) бездекрементне проведення (незгасаюче збудження кожної наступної ділянки, що забезпечує передачу інформації без спотворення) — амплітуда потенціалу дії залишається незмінною незалежно від шляху його поширення (наприклад, довжини нервового волокна), д) проведення, яке не викликає стомлення волокон (обумовлено тим, що градієнт концентрації іонів на пікові потенціалу дії змінюється дуже незначною мірою, що також забезпечує передачу інформації без спотворення), є) проведення з великою швидкістю (забезпечує велику швидкість рефлекторних реакцій).

Зафункціональноюознакоюнервовіволокнаподіляютьсянаеферентні(руховійвегетативні) тааферентні. ЗадіаметромволокнабуваютьтипуА(а, Р, у, 5), ВіС. Діаметрволоконвпливаєнаїхніфункціональні властивості: швидкість проведення потенціалу дії, його тривалість, порогову силу подразнення. Тому назва волокна вже говорить про багато його функціональних властивостей. Для чутливих волоконінколивикористовуютькласифікацію: lot, Ір, III, IV.

Проведення збудження з нервових волокон на м'язові здійснюється через спеціальні утворення — синапси. Останні складаються зпресинаптичноїмембрани(варикознерозширеннянервовогозакінчення), пухирців з медіатором, синаптичної щілини (близько 50 нм) і постсинаптичної мембрани (рис. 19). Остання разом з прилеглим

шаром цитоплазми м'язового волокна називається кінцевою пластинкою. Механізм проведення збудження через це утворення такий: потенціал дії поширюється нервовим закінченням, доходитьдопресинаптичної мембрани і викликає її деполяризацію. Ця деполяризаціяспричиняєвідкриттявпресинаптичній мембрані потенціалкерованих кальцієвих каналів

нейронного типу (iV-типу), через які всередину нервового

51

закінчення за хімічним градієнтом входять іони Са2+ і запускають виділення нейромедіатора. Ці канали швидко інактивуються, і наступний потенціал дії потрапляє в мить, коли медіатор вже не виділяється і наступний імпульс буде переданий на постсинаптичну мембрану окремо. До того ж тривалість потенціалу дії скорочується. Іони Са2+ активують кальмодулін. Останній активує транспортну систему пухирців. Пухирці переміщуються до мембрани і, зливаючися з нею, звільняють медіатор — ацетилхолін — у синаптичну щілину. Медіатор (трансмітер — речовина-посередник) дифундує через синаптичну щілину до постсинаптичної мембрани і з'єднується на ній з Я-холінорецепторами (Я-ХР). Відкриваються неспецифічні хемозбудливі (лігандзалежні) канали. Через зазначені канали рухаються іони за концентраційними й електричними градієнтами. Однак спрямований всередину за хімічним та електричним градієнтами потік іонів Na+ перевищує вихід за концентраційним, але проти електричного градієнту потік іонів К+ (переважно ці іони внаслідок найбільших їх концентрацій і визначають рух іонів). Тому вхідний натрієвий струм перевищить вихідний калієвий. Виникне потенціал кінцевої пластинки (ПКП) з властивостями, характерними для місцевого збудження. Між деполяризованою ділянкою кінцевої пластинки й сусідньою незбудженою ділянкою м'язового волокна виникне різниця потенціалів, яка у свою чергу генерує місцеві колові струми. При досягненні Екр в цій позасинаптичній ділянці мембрани виникає потенціал дії (рис. 19). Надалі ХР інактивуються (десинсетизуються) під впливом невідомого механізму Ацетилхолін холінестеразою (міститься в синапсі) гідролізується до холіну і оцтової кислоти. Утворений холін знову захоплюється нервовим закінченням з наступним синтезом нового ацетилхоліну, під час якого оцтова кислота потрапляє в кровоносні капіляри. Частина ацетилхоліну абсорбується в аксональну терміналь і концентрується у везикулах та виноситься током крові. Синаптичне передавання збудження в нервово-м'язовому синапсі є провідниковим на відміну від перетворювального в синапсах ЦНС. Потенціали кінцевої пластини за величиною досягають 30-40 мВ, що в кілька разів більше, ніж необхідно, щоб синаптичний струм досяг порогової величини.

Справжня холінестераза гідролізує тільки ацетилхолін. Псевдохолінестераза (ацетилгідролаза) гідролізує багато холінефірів, але не ацетилхолін. Справжня міститься в нервовій і м'язовій тканинах. Псевдохолінестераза — в печінці, плазмі, серці, підшлунковій залозі, шкірі. Холінестераза інактивується при отруєннях фосфорорганічними сполуками, прозерином, фізостигміном, галантаміном. Нейротоксини ботулізму й правця, р- і у-бунгаротоксини блокують секрецію ацетиліну, карбахолін посилює, а-бунгаротоксин блокує холінорецептори.

52