Kratkiy_kurs_norm_fiziologii_V_P_Degtyarev

Биоэлектрические явления в живых тканях. Природа возбуждения.

химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антигенов); а также могут быть ферментами. Функции периферических белков еще более многочисленны: рецепторная. ферментативная, структурная, сократительная, адгезивная, медиаторная (использование в качестве посредников передачи сигнала между клетками).

Проницаемость наружной мембраны клетки для различных веществ определяется, в основном, наличием в ее составе транспортных белков, образующих каналы для ионов или других веществ и различные переносчики или ионные насосы. Перенос веществ через мембрану может осуществляться с помощью пассивного или активного транспорта.

Активным называется транспорт вещества против концентрационного или электрохимического градиента с затратой клеткой энергии и с участием специальных переносчиков. Различают первично-активный и вторично-активный транспорт. Первично-активным транспортом называется процесс переноса вещества против концентрационного или электрохимического градиента с непосредственным использованием энергии клеточного метаболизма. Мембранные переносчики, обеспечивающие первично-активный транспорт, по сути представляют собой ферменты АТФ-азы, и называются насосами. Примером такого вида транспорта является перенос ионов натрия и калия, который происходит при участии натрий-калиевого насоса с использованием энергии АТФ. Вторично-активным транспортом называется перенос вещества против градиента без непосредственной затраты энергии, за счет электрохимического градиента другого вещества (иона). С помощью такого механизма, например, происходит реабсорбция глюкозы в почках. При этом глюкоза из просвета канальца входит в клетку стенки капилляра вместе с ионом натрия с помощью специального переносчика.

Пассивным называется транспорт вещества по концентрационному, осмотическому или электрохимическому градиентам без затраты энергии расщепления АТФ и реализуется с участием мембранных каналов или по механизму облегченной диффузии. Пассивный транспорт включает в себя диффузию, фильтрацию, осмос. Движущей силой диффузии частиц растворенного вещества является их концентрационный градиент. Разновидностью диффузии является осмос, при котором перемещение происходит в соответствии с концентрационным градиентом частиц растворителя. Под филыпрагщей понимают процесс переноса раствора через пористую мембрану под действием гидростатического давления.

Облегченная диффузия, как и простая диффузия, осуществляется без затраты энергии по градиенту концентрации. Однако облегченная диффузия представляет собой более быстрый процесс и осуществляется с участием переносчика.

11

ГЛАВА 2. Физиология возбудимых тканей

Ионные каналы мембраны делятся на каналы утечки и воротные (управляемые). Каналы утечки не имеют ворот, открыты в покое, их состояние обычно не зависит от уровня мембранного потенциала, однако оно может изменяться при действии некоторых физических и химических факторов (например, анестетиков, температуры, рН и др.).

Воротные каналы имеют «ворота», которые открываются и закрываются в ответ на изменения МПП (такие каналы называются потенциалзависимыми), или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые или лигандзависимые каналы), или при деформации мембраны (механочувствительные каналы). В покое большинство воротных каналов закрыто.

По способности пропускать различные ионы (ионной избирательности) каналы подразделяют на моноселективные, обладающие способностью проводить преимущественно один вид ионов; полиселективные, пропускающие в равной степени несколько видов ионов; неселективные, пропускающие большое число молекул разных типов.

Принцип устройства и работы воротных каналов можно рассмотреть на примере потенциалзависимых. Селективные потенциалзависимые ионные каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется электрическим полем мембраны. В натриевых каналах предполагают наличие двух типов «ворот»: быстрых или активаиионных ( т ) и медленных или инактивагшонных (h) (рис.3). «Ворота» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «ворота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) «ворота» m открываются, и канал переходит в проводящее состояние, т. е. через него начинают проходить ионы натрия под действием сил концентрационного и электрохимического градиентов. Затем, при достижении

12

Биоэлектрические явления в живых тканях. Природа возбуждения.

процессом деполяризации определенного момента закрываются инактивационные «ворота», и канал перестает пропускать ионы, т. е. он инактивируется. По мере восстановления МПП (реполяризации) инактивационные «ворота» медленно открываются, а активационные быстро закрываются, и канал возвращается в свое исходное функциональное состояние. В других каналах есть только активационные ворота.

В состоянии покоя, при наличии трансмембранного градиента концентраций ионов происходит, прежде всего, выход калия из клетки в межклеточное пространство по каналам утечки. Выход положительно заряженных ионов калия приводит к формированию положительного заряда на наружной поверхности мембраны. При этом органические анионы (отрицательно заряженные крупномолекулярные соединения), для которых мембрана клетки непроницаема, придают внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. На степень поляризации мембраны в состоянии покоя оказывает влияние перемещение через нее и других ионов (натрия, хлора) по каналам различных типов, но оно в этих условиях невелико. Например, мембрана нервных волокон в состоянии покоя в 25 раз менее проницаема для ионов натрия, чем для ионов калия.

Перемещение ионов через мембрану по их концентрационным градиентам в конечном счете должно было бы привести к выравниванию их концентрации внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране функционируют ионные насосы. Так, важное значение для поддержания МПП имеет натрий-калиевый насос, обеспечивающий выведение из цитоплазмы клетки ионов натрия и введение в цитоплазму ионов калия. Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и. следовательно, работает с затратой энергии на преодоление силы градиента. При этом насос переносит через мембрану неодинаковое количество зарядов (три иона натрия в обмен на два иона калия), что усиливает поляризацию мембраны.

Выходу избытка калия из клетки также препятствует электрическое поле, возникающее при накоплении положительного заряда снаружи клетки и отрицательного - внутри.

Таким образом, возникновение и поддержание МПП покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки для ионов и работой натрийкалиевого насоса.

Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое поддерживает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» натриевых каналов, а также способствует сохранению определенной пространственной организации мембраны.

Регистрация электрических потенциалов в нервном, мышечном волокнах или в нервной клетке показала, что при действии раздражителя происходит изменение МПП. Под влиянием раздражителя подпороговой силы изменения

13

ГЛАВА 2. Физиология возбудимых тканей

МПГТ невелики и имеют местный (локальный) характер. Такое изменение МПП получило название локального потенциала, и оно не сопровождается целостной реакцией клетки. Но при действии раздражителя пороговой или сверхпороговой силы изменения мембранного потенциала максимальны и последовательно охватывают всю мембрану клетки. Это изменение получило название распространяющегося потенциала или потенциала действия (ПД), поскольку он вызывает характерную для данной клетки специализированную реакцию.

Механизм возникновения ПД заключается в следующем. Под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины проницаемость мем-

14

Биоэлектрические явления в живых тканях. Природа возбуждения.

ораны клетки для ионов натрия постепенно возрастает. Вход ионов натрия в клетку приводит к уменьшению величины мембранного потенциала покоя - деполяризации мембраны (рис. 4А). Вначале процесс деполяризации развивается медленно, и возникает предспайковый, медленный, локальный потенциал. При уменьшении мембранного потенциала до критического уровня деполяризации (КУД) открывается достаточное количество потенциалзависимых натриевых каналов, и вход ионов натрия в клетку начинает превышать выход ионов калия, что приводит к дальнейшей деполяризации и открытию остальных натриевых каналов. В результате проницаемость мембраны для ионов натрия быстро, лавинообразно увеличивается (в 500 раз) и превышает проницаемость для ионов калия в 20 раз. Это приводит к развитию ПД и формированию спайкового или быстрого потенциала. При развитии восходящей части спайкового потенциала вследствие проникновения ионов натрия в цитоплазму и их взаимодействия с отрицательно заряженными анионами трансмембранная разность потенциалов сначала исчезает, а затем происходит перезарядка клеточной мембраны (поляризация с обратным знаком, или реверсия заряда), когда внутренняя поверхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной. Этот потенциал превышения (овершут) достигает величины +30 - +50 мВ. На этом уровне потенциала начинают закрываться инактивационные ворота быстрых натриевых каналов (происходит инактивация натриевой проницаемости), и открываются калиевые каналы, через которые ионы калия выходят из клетки. Это приводит к восстановлению исходного уровня мембранного потенциала покоя, т. е. происходит реполяризация мембраны. Процесс реполяризации отражают нисходящая часть спайкового потенциала, следовая деполяризация и следовая гиперполяризация.

Потенциал действия может быть зарегистрирован двумя способами: внеклеточным - с помощью электродов, приложенных к внешней поверхности клетки; внутриклеточным - с помощью электродов, один из которых введен внутрь клетки, а другой расположен на ее поверхности.

При монополярном отведении от наружной поверхности клетки потенциал действия имеет сложную форму и состоит из нескольких компонентов

(рис.4А).

1. Предспайковый потенциал (локальный ответ) - он отражает процесс медленной деполяризации мембраны от уровня МПП до критического уровня деполяризации.

2. Спайковый потенциал (спсшк, распространяющийся потенциал или собственно потенциал действия) - своей восходящей частью отражает процесс быстрой деполяризации мембраны и ее перезарядки, а нисходящей - процесс

быстрой реполяризации мембраны.

3. Следовая деполяризация - отражает процесс медленной реполяризации мембраны.

15

ГЛАВА 2. Физиология возбудимых тканей

4. Следовая гиперполяризация - отражает увеличение поляризации мембраны относительно исходного уровня. Гиперполяризация мембраны в этот период обусловлена, во-первых, продолжающимся выходом ионов калия; вовторых, возможно, открытием каналов для хлора и поступлением этих ионов в цитоплазму клетки; в-третьих, усиленной работой натрий-калиевого насоса.

Изменение возбудимости при возбуждении. Развитие любого вида возбуждения (местного или распространяющегося) сопровождается фазным изменением уровня возбудимости, обычно оцениваемого по порогу раздражения ткани. Характер этих изменений и их соотношение с фазами одиночного цикла возбуждения (потенциала действия), иллюстрирует рис. 4Б.

Состоянию исходной поляризации мембраны в покое соответствует исходное состояние ее возбудимости или нормальный уровень возбудимости, принимаемый за 100%.

Впериод развития предспайкового потенциала возбудимость повышается. Эта фаза изменения возбудимости получила название фазы первичной экзальтации. Механизм повышения возбудимости в этот период связан с приближением процесса деполяризации к его критическому уровню. В этих условиях сила раздражителя, необходимая для доведения процесса до КУД, будет меньшей, т. к. уменьшается прочность закрытия активационных ворот натриевых каналов.

Впериод развития спайкового потенциала натриевые каналы открыты полностью, в результате чего мембрана утрачивает способность отвечать на действие раздражителя любой, даже очень большой силы. Эта фаза называется

фазой абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости).

В период реполяризации исходное состояние натриевых каналов мембраны постепенно восстанавливается, что сопровождается сменой абсолютной рефрактерности мембраны на относительную рефрактерность, т. е. ответная реакция может быть, но для ее возникновения необходимо использовать сверхпороговые раздражители.

Периоду следовой деполяризации соответствует повышенный уровень возбудимости — фаза вторичной экзальтации (супернормальной возбудимости). Так как мембранный потенциал в эту фазу ближе к КУД по сравнению с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раздражения снижен, и новое возбуждение в эту фазу может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы. В период развития следовой гиперполяризации возбудимость ткани понижена - фаза вторичной рефрактерности (субнормальной возбудимости). В эту фазу мембранный потенциал увеличивается (состояние гиперполяризации мембраны), удаляясь от критического уровня деполяризации. Следовательно, порог раздражения повышается, и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины.

16

Законы раздражения возбудимых тканей.

Законы раздражения возбудимых тканей.

Законы раздражения отражают определенную зависимость между действием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани.

ветствии с этим законом функционируют сложные целостные структуры, например, скелетная мышца. С увеличением силы раздражителя амплитуда ее сокращений постепенно увеличивается от минимальных (пороговых) величин до субмаксимальных и максимальных значений. Это обусловлено тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих разную возбудимость. Поэтому на пороговый раздражитель отвечают только те мышечные волокна, которые имеют самую высокую возбудимость - амплитуда мышечного сокращения при этом минимальна. С увеличением силы раздражителя по мере достижения порога раздражения в реакцию вовлекается все большее количество мышечных волокон, и амплитуда сокращения мышцы увеличивается. Когда в реакцию вовлечены все мышечные волокна, составляющие данную мышцу, дальнейшее увеличение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения, и наблюдающееся сокращение называют максимальным.

Закон «все или ничего»: величина ответной реакции ткани на раздражение не зависит от силы раздражителя - при подпороговом раздражении возбуждение (ПД) не возникает («ничего»), а при пороговом и сверхпороговых раздражениях всегда возникает реакция максимальной амплитуды («все»). По закону «все или ничего» на раздражитель реагируют одиночные нервное и мышечное волокна, а также сердечная мышца.

Закон «все или ничего» не абсолютен. Во-первых, на раздражители подпороговой силы в ткани происходят невидимые изменения, получившие название местного возбуждения (локального ответа), которые проявляются, прежде всего, в изменении мембранного потенциала покоя. Во-вторых, сердечная мышца, растянутая кровью заполнившей полости сердца, реагирует также по закону «все или ничего», но амплитуда ее сокращения будет большей по сравнению с сокращением сердечной мышцы, не растянутой кровью.

Закон физиологического электротона Э. Пфлюгера: действие постоянного тока на ткань сопровождается изменениями ее возбудимости. Начальное прохождении постоянного тока через нерв или мышцу в участке ткани, расположенном под катодом повышает возбудимость (катэлектротон), а под анодом - понижает (анэлектротон). Изменения возбудимости обуславливаются частичной деполяризацией клеточной мембраны под катодом и гиперполяризацией под анодом. Эти изменения возбудимости получили название электротона (электротоническое изменение возбудимости).

17

ГЛАВА 2. Физиология возбудимых тканей

При дальнейшем действии постоянного тока первоначальное повышение возбудимости под катодом сменяется ее понижением (катодическая депрессия). Первоначальное же снижение возбудимости под анодом сменяется ее повышением (анодная экзальтация). Развитие католической депрессии связанно

синактивацией натриевой проницаемости мембраны, а анодной экзальтации

-с уменьшением калиевой проницаемости и ослаблением исходной натриевой инактивации.

Закон полярного действия постоянного тока Э. Пфлюгера: при замыкании цепи постоянного тока возбуждение возникает под катодом, а при размыкании — под анодом. Это связано с тем, что прохождение постоянного электрического тока через возбудимую ткань вызывает изменение мембранного потенциала покоя ее клеток. Так, под катодом положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны уменьшается - начальная деполяризация мембраны, которая затем под влиянием проходящего электрического тока быстро достигает критического уровня и вызывает распространяющееся возбуждение. Под анодом положительный заряд наружной поверхности мембраны возрастает - гиперполяризация мембраны, но при этом критический уровень деполяризации смещается к уровню потенциала покоя. При размыкании цепи тока гиперполяризация мембраны исчезает, ее потенциал возвращается к исходной величине и достигает смещенного критического уровня деполяризации

-возникает возбуждение.

Закон раздражения Э. Дюбуа-Рейлюна: раздражающее действие тока зависит не только от его абсолютной величины, но и от скорости его изменения во времени. Пороговая сила тока увеличивается при снижении крутизны его нарастания (рис. 5).

Существует некоторое минимальное значение скорости нарастания силы раздражителя, при которой ответная реакция вообще не возникает, даже при неограниченном увеличении силы раздражителя. Это явление получило название аккомодации. В его основе лежит изменение состояния потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов клеточной мембраны. При быстром увеличении силы стимула повышение натриевой проницаемости мембраны обеспечивает достижение критического уровня деполяризации прежде, чем наступит инактивация натриевых каналов. При медленном нарастании силы раздражителя натриевые каналы переходят в состояние инактивации по мере нарастания деполяризации, что снижает возбудимость мембраны вплоть до полной рефрактерности.

Способность к аккомодации различных структур неодинакова. Наиболее высокая она у двигательных нервных волокон, а наиболее низкая у сердечной мышцы, гладких мышц кишечника и желудка.

Закон силы - длительности Г. Вейсса -II. Лапика: раздражающее действие постоянного тока зависит не только от его абсолютной величины, но

18

Законы раздражения возбудимых тканей.

и от времени, в течение которого он действует на ткань. Чем больше сила раздражителя, тем меньше времени он должен действовать для возникновения возбуждения.

Этот закон вскрывает гиперболическую зависимость пороговой силы раздражителя от длительности его действия (рис. 6). Ток, сила которого ниже некоторой минимальной величины, не вызовет возбуждения, как бы длительно он ни действовал. С другой стороны, чем короче импульс тока, тем меньшую раздражающую способность он имеет. Раздражающий ток, длительность которого меньше 0,01 мс, не вызывает ответной реакции при любой силе стимула.

В основе такой закономерности является неспособность раздражителя осуществить сдвиг мембранного потенциала до КУД из-за кратковременности действия или из-за недостаточности силы раздражителя.

Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой. Время, в течение которого действует и вызывает возбуждение ток, равный реобазе, называется полезным временем. В связи с тем, что определение этого времени затруднено, было введено понятие хронаксии. Хронаксия - минимальное время, в течение которого должен действовать ток, равный двум реобазам, чтобы вызвать ответную реакцию. Определение хронаксии методом хронаксиметрии находит применение в клинике. Электрический ток, приложенный к мышце, проходит

19

ГЛАВА 2. Физиология возбудимых тканей

как через мышечные, так и через нервные волокна, находящиеся в этой мышце. Хронаксия нервных волокон значительно меньше хронаксии мышечных волокон. При повреждении нерва или гибели соответствующих мотонейронов спинного мозга (например, при полиомиелите) происходит разрушение нервных волокон. В этом случае определяется хронаксия мышечных волокон, которая имеет большую величину.

Физиология нервов и нервных волокон.

Нервные волокна (отростки нервных клеток) выполняют специализированную функцию - проведение нервных импульсов. По морфологическому признаку нервные волокна делятся на миелиновые (покрытые миелиновой оболочкой) и безмиелиновые. Нервные волокна формируют нерв или нервный ствол, состоящий из большого числа нервных волокон, заключенных в соединительнотканную оболочку. В состав нерва входят миелиновые и безмиелиновые волокна.

Нервные волокна, проводящие возбуждение от рецепторов в ЦНС, называются афферентными, а волокна, проводящие возбуждение от ЦНС к исполнительным органам, называются эфферентными. Нервы состоят из афферентных и эфферентных волокон.

Нервное волокно обладает следующими физиологическими свойствами:

возбудимостью, проводимостью, лабильностью.

Проведение возбуждения по нервным волокнам осуществляется в соответствии с определенными законами.

Закон двустороннего проведения возбуждения. Возбуждение по нервному волокну распространяется в обе стороны от места его возникновения, т. е. центростремительно и центробежно. Это можно доказать, если на нервное волокно наложить регистрирующие электроды на некотором расстоянии друг от друга, а между ними нанести раздражение. Возбуждение зафиксируют электроды, расположенные по обе стороны от места раздражения.

Закон анатомической и физиологической целостности. Проведение возбуждения по нервному волокну возможно лишь в том случае, если сохранена его физиологическая и, тем более, анатомическая целостность. Различные факторы (наркотические вещества, охлаждение, перевязка), действующие на нервное волокно, могут привести, несмотря на сохранение его анатомической целостности, к нарушению физиологической целостности, т. е. к нарушению механизмов проведения возбуждения через участок волокна, на который подействовал повреждающий раздражитель.

Закон изолированного проведения возбуждения. В составе нерва возбуждение по нервным волокнам распространяется изолированно, т. е. не переходя с одного волокна на другое. Изолированное проведение возбуждения обусловле-

20