2. Стволовой уровень.

Проявляют активность вегетативные центры продолговатого мозга, варолиева моста и среднего мозга. Нет сегментарного строения, наблюдается скопление ядер серого вещества, локализацию которых трудно определить.

Локализация центров.

1. Циркуляторные (продолговатый моззг) – регуляция кровообращения.

• сосудодвигательный

• регуляции сердечной деятельности.

Парасимпатические волокна идут в составе блуждающего нерва к органам кровообращения и обеспечивают непроизвольную регуляцию уровня артериального давления.

Регуляция сложных двигательных процессов. Изменение положения тела в пространстве – ортостатическая проба.

2. Мочеиспускания (мост).

3. Слюноотделения.

4. Центр, регулирующий деятельность желез желудка и кишечника.

5. Слезоотделения.

3. Гипоталамический уровень.

З отдела, их возбуждение приводит к изменению функций.

• передний.

Центры парасимпатической регуляции висцеральных функций. Возбуждение этих ядер приводит к сужению зрачков, снижению артериального давления и сердечной деятельности, повышению секреции желез ЖКТ.

• задний.

Симпатическая регуляция. Противоположные эффекты: расширение зрачка, повышение артериального давления.

• средний.

Регуляция обмена веществ. Центры врожденных форм поведения, связанные с чувством голода, жажды. В гипоталамусе расположен центр терморегуляции. На уровне промежуточного мозга сходятся регулирующие влияния висцеральных и поведенческих функций.

4. Кора больших полушарий.

Лобные доли: центры, обеспечивающие произвольную регуляцию дыхания. Условно-рефлекторное влияние на кровообращение, пищеварение, эндокринные механизмы.

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Раздражимость следует считать универсальным свойством живой материи.

Именно раздражимость обусловила способность клеток приспосабливаться к меняющимся условиям жизни и явилась основой объединения клеток в отдельные системы и регулирование их деятельности.

Раздражимость – общее свойство для всех тканей

• это способность менять свое состояние в ответ на раздражение.

В процессе эволюции возникают высокодифференцированные ткани (нервная и мышечная), у которых раздражимость, совершенствуясь, приобретает форму возбудимости.

Возбудимость – следствие дифференцированности тканей

– способность высокоорганизованных тканей отвечать на раздражение специфической реакцией – возбуждением.

Возбудимость можно оценить количественно. Показатель возбудимости – порог раздражения: это та наименьшая величина раздражителя, которая способна вызывать возбуждение. Чем выше порог, тем ниже возбудимость и наоборот.

Возбуждение – в широком биологическом смысле – это временное повышение жизнедеятельности организма или его частей, наступающее при изменении условий существования.

Возбуждение – основной физиологический процесс, которым всякий организм отвечает на раздражение

• реакция живой ткани на раздражение, основным компонентом которой является изменение физико-химических свойств мембраны и цитоплазмы клетки.

Таким образом, возбудимость – это свойство, возбуждение – это процесс.

И возбудимость, и возбуждение тесно связаны с особенностями мембран клетки.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ.

- функционально активные структуры клеток, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур;

- образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.

Функции мембран.

Функции мембран важны и разнообразны:

1. Формирование клеточных структур

2. Поддержание внутриклеточного гомеостаза

3. Участие в процессе возбуждения

4. Фото - , механо -, хеморецепция.

5. Всасывание

6. Секреция и газообмен

7. Тканевое дыхание

8. Запас и трансформация энергии.

Подавляющее число известных заболеваний человека является прямым следствием нарушений мембран, либо процессами, сопряженными с ними.

Структурная основа мембраны – двойной слой фосфолипидов, в который встроены мембранные белки.

Молекулы липидов амфотерны. Своими гидрофильными частями они обращены в сторону водной среды (межклеточная жидкость и цитоплазма), гидрофобные части молекул направлены внутрь липидного бислоя.

Белковые молекулы выполняют роль каналов рецепторов, насосов, ферментов.

До сих пор практически ничего не известно о химическом составе и структуре электроуправляемых транспортных систем, называемых ионными каналами. Все, что мы сегодны знаем об устройстве ионного канала, является результатом функциональной реконструкции, а не структурно- химического анализа.

Принято представлять ионный канал в виде собственной транспортной системы, сенсора электрического напряжения и так называемых ворот, регулирующих вход ионов в канал. Среди реальных достижений особое место занимает измерение «воротных токов».

Канал – это белковая макромолекула, образующая пору через двухслойную липидную мембрану.

Натриевый канал – тетродотоксин. Калиевый канал – тетраэтиламмоний.

Ионоселективный канал (составные части)
Пора – молекулярное динамическое образование. Образована транспортным ферментом, который способен в 200 раз ускорить диффузию.	Сенсор напряжения – белковая молекула в самой мембране, способна реагировать на изменение мембранного потенциала.
Воротный механизм – на внутренней стороне мембране, это белок, способный к конформации (изменение пространственной конфигурации молекул) Возможности: - открывает канал (активирует) - закрывает канал (инактивирует) - чувствителен к химическим веществам	Селективный фильтр – определяет однонаправленное движение ионов через пору и ее избирательную проницаемость.

Мембраны – это не жестко фиксированные структуры, а гибкие, постоянно обновляющиеся образования.

Снаружи мембрана покрыта слоем гликопротеидов, гликолипидов и кислых мукополисахаридов (обеспечение межклеточного взаимодействия).

«Мембрана – это крепостная стена клетки», но только в том смысле, что она ограждает и защищает внутреннее содержимое клетки. По образному выражению академика Платона Григорьевича Костюка мембрана живой клетки не столько стена, отделяющая протоплазму от внешней среды, сколько система «ворот», связывающая ее с внешним миром.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ.

Пассивный (без затрат энергии)	Активный (энергозависимый, чувствительный к ингибиторам и активаторам)
Диффузия – простая - облегченная - обменная	Ионные насосы
Осмос	фагоцитоз
Фильтрация	пиноцитоз

Диффузия – самопроизвольное взаимопроникновение (тепловое движение).

Осмос – движение молекул под влиянием осмотического давления.

Фильтрация – естественное отделение от воды взвешенных частей.

Фагоцитоз – транспорт крупных частиц за счет перестройки мембраны.

Пиноцитоз - транспорт жидкости и мелких частиц из внешней среды за счет перестройки мембраны.

Активный транспорт ионов насосами клеточных мембран обеспечивает поддержание ионных градиентов по обе стороны мембраны. Доказано участие в активном транспорте ионов специализированных ферментных систем – АТФаз, которые осуществляют гидролиз АТФ.

Различают:

Натрий – калиевая - АТФ-аза («натриевый насос») – обнаружена в клетках всех животных, растений и микроорганизмов.

Кальциевая – АТФ – аза («кальциевый насос») наиболее широко распространена в мышечных клетках (саркоплазматический ретикулум).

Протонная АТФ – аза («протонный насос») локализована в мембранах митохондрий.

Na, K – АТФ – аза – мембранный белок. Молекула имеет два центра связывания ионов, один из которых (натриевый) расположен на внутренней поверхности клеточной мембраны, а второй (калиевый) – на ее внешней поверхности.

Специфическим ингибитором фермента является сердечный гликозид – строфантин (буабаин), блокирующий работу натриевого насоса.

Гидролиз одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием в клетку двух ионов калия. При увеличении количества ионов калия во внеклеточной среде или ионов натрия внутри клетки работа насоса усиливается.

При возбуждении в клетке происходят различные изменения:

1. Структурные: меняется строение мембран, пор, каналов;

2. Физические: температура цитоплазмы; повышается вязкость; меняется электрический заряд мембран (генерируются электрические потенциалы);

3. Химические: распад АТФ и освобождение энергии;

4. Функциональные: проведение возбуждения по нерву, сокращение мышц, выделение секрета.

Среди многочисленных проявлений жизнедеятельноси клетки генерация электрических потенциалов занимает особое положение и является:

а) надежным (единственное средство обнаружения деятельности);

б) универсальным (сопоставимость);

в) точным (скорость срабатывания) показателем течения любых физиологических функций.

БИОПОТЕНЦИАЛЫ.

Биопотенциал – показатель биоэлектрической активности, определяемой разностью потенциалов между двумя точками живой ткани.

История открытия биопотенциалов.

В век электричества мы вспоминаем об электричестве, когда оно внезапно исчезает или когда его действие внезапно проявляется на организме. Мы совсем забыли, что электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным и медики в этом сыграли не последнюю роль. Слово “электричество” придумал лейб-медик английской королевы Уильям Джильберт в своей книге “О магните, магнитных телах и великом магните земли”, вышедшей в 1600 г. Отделил электрические явления от магнитных, чтобы через 200 лет усилиями многих ученых они снова воссоединились, но уже на новой основе.

В конце 18 века (1791) итальянский врач Луиджи Гальвани дал первые экспериментальные доказательства существования электрических явлений в мыщце лягушки. Он обратил внимание на то, что отпрепарированные задние лапки лягушки приходили в движение, как только касались железной решетки балкона, к которой были подвешены на медный крючок, проходящий через позвоночник и спинной мозг (изучалось статическое атмосферное электричество).

Алессандро Вольта взглядам Гальвани о предсуществовании электричества в мышце противопоставил свое утверждение: электричество возникает при соприкосновении разнородных металлов через влажную среду. Попутно Вольта изобрел первый в мире источник постоянного тока (“вольтов столбик”), открыв “металлическое электричество”.

Справедливости ради следует отметить, что Гальвани поставил второй опыт (“сокращение без металлов”),подтвердив свое предположение о существовании “животного электричества”. Ирония судьбы: электричество в живых тканях, открытое Л. Гальвани, измеряют в Вольтах,а устройства, в основе которых лежит “металлическое электричнство”, открытое Вольта, называют гальваническим элементом.

1840 г. Маттеуччи, испоьзуя зеркальный гальванометр (созданный Нобили в 1825 г.), открывает потенциал повреждения. Участок повреждения мышцы электроотрицателен по отношению к неповрежденному.

1848 г. – Эмиль Дюбуа Реймон установил, что возбужденный участок нерва электроотрицателен по отношению к невозбужденному.

После этого открытия электрофизиологический метод исследования возбуждения является важнейшим.

С 1949 г. Ходжкин, Хаксли, Катц, усовершенствовав микроэлектродную технику, положили начало экспериментальной разработке мембранной теории возбуждения (Нобилевская премия 1964 г.).

МИКРОЭЛЕКТРОДНАЯ ТЕХНИКА (внутриклеточная регистрация биопотенциалов).

Микроэлектрод – стеклянная микропипетка, заполненная раствором электролита. Диаметр кончика 0, 5 мкм позволяет ввести электрод внутрь клетки, не нарушая ее функции. Второй электрод – в питающий раствор с исследуемой тканью. Электроды соединяются с согласующим устройством, потом на усилитель постоянного тока. В качестве регистратора используется осциллограф.

В момент прокола мембраны клетки электродом на экране осциллографа происходит резкое смещение нулевого уровня книзу. Мембрана поляризована. Зарегистрированная разность потенциалов получила название потенциала покоя или мембранного потенциала .

Смещение мембранного потенциала кверху - деполяризация;

Смещение мембранного потенциала книзу – гиперполяризация.

Величина мембранного потенциала отличается у клеток разных тканей:

нервные клетки 60 – 80 мВ скелетная мышца – 80 – 90 мВ сердечная мышца 90 – 95 мВ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ.

Теория, объясняющая происхождение мембранного потенциала, базируется на двух основных положениях:

1. Мембрана избирательно проницаема для различных ионов. В состоянии покоя мембрана проницаема для катионов и практически непроницаема для анионов. В покое проницаемость для ионов калия гораздо выше, чем для ионов натрия.

2. В мембране имеется биохимический механизм, получивший название “натриевого насоса” - натрий-калиевая АТФ-аза, обеспечивающий активный транспорт ионов калия внутрь клетки, а ионов натрия наружу.

В состоянии покоя в цитоплазме клетки ионов натрия в 10 раз меньше, чем снаружи, а ионов калия в 50 раз больше, чем снаружи.

Это состояние поддерживается работой насоса. Работает насос против градиента концентрации с затратой энергии.

В покое мембрана имеет более высокую проницаемость для ионов калия, чем для ионов натрия и тем более анионов, внутри клетки. По закону осмоса, несмотря на работу насоса, калий стремится выйти из клетки, а анионы не могут последовать за ним, что приводит к разделению зарядов и появлению на мембране потенциала, отрицательного внутри и положительного снаружи.

Величина мембранного потенциала зависит от концентрации ионов калия внутри клетки и снаружи и может быть вычислена на основе законов физической химии (уравнение Нернста и уравнение Гольдмана – Ходжкина – Катца).

Работа натриевого насоса при гидролизе одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и поглощением двух ионов калия. Поскольку при этом перенос зарядов не скомпенсирован, то в результате функционирования АТФ – азы на мембране клетки разность потенциалов суммируется.

Кроме того, в создании отрицательного заряда принимают участие и белковые молекулы протоплазмы клетки.

При неизменном функциональном состоянии клетки величина мембранного потенциала не изменяется. Поддержание постоянной его величины обеспечивается нормальным протеканием клеточного метаболизма.

При нанесении на клетку, в которой находится микроэлектрод, допороговых стимулов, можно зарегистрировать уменьшение мембранного потенциала, которое обратимо (быстро проходит) и зависит от силы стимула, но до определенного уровня.

Ответы клетки при действии на нее допороговых раздражений могут суммироваться.

При достижении мембранным потенциалом уровня (20-30% от величины мембранного потенциала) возникает резкое колебание мембранного потенциала, получившее название потенциала действия или спайк или пик – потенциал. УКД. И как бы мы дальше не увеличивали силу раздражения, амплитуда потенциала действия уже не изменится (закон “все или ничего”).

Все изменения мембранного потенциала до уровня критической деполяризации отображают местный процесс возбуждения, нераспространяющееся возбуждение или локальный ответ.

Потенциал действия – это всегда распространяющееся возбуждение.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ.

Показатель возбудимости – порого раздражения.

Порог раздражения - это та наименьшая величина раздражителя, которая способна вызывать возбуждение. Чем ниже порог, тем выше возбудимость и наоборот.

Раздражитель – фактор окружающей или внутренней среды, изменяющий состояние возбудимых структур.

Раздражители могут быть:

1. Адекватные(специфические)

2. Неадекватные (неспецифические)

Адекватный – раздражитель, действующий на биологическую структуру, специально приспособленную для взаимодействия с ним.

Неадекватный – раздражитель, действующий на биологическую структуру, специально не приспособленную для его восприятия.

Порог раздражения для неадекватных раздражителей всегда несоизмеримо больше, чем для адекватных.

В физиологическом эксперименте широко используются различные раздражители, но наиболее удобно раздражение электрическим током:

• действуют при малой силе (не вредит)

• можно быстро начать и прекратить

• легко дозировать по силе, длительности, ритму.

В потенциале действия (ПД) различают пик и следовые потенциалы. Восходящая часть пика – деполяризация, нисходящая – реполяризация.

ОВЕРШУТ – перезарядка мембраны или перескок – основная причина распространения возбуждения.

Именно эти овершуты, перескоки ПД и регистрировал в своих экспериментах Эмиль Дюбуа Реймон.

СЛЕДОВЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ:

1. Отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация);

2. Положительный следовый потенциал (следовая гиперполяризация).

Амплитуда потенциала действия:

Нервные клетки 110 –100 мВ

Скелетные и сердечные мышцы 110 – 120 мВ.

Продолжительность потенциалов действия:

Нервные клетки 1 –2 мс

Скелетные мышцы 3 – 5 мс

Мышцы сердца 50 –600 мс.

Если потенциал покоя присущ всем живым клеткам без исключения, то потенциал действия характерен в основном для нервных и мышечных клеток.

ПД – электрофизиологический показатель возникновения процесса возбуждения; - обеспечивает распространение возбуждения по мембранам нервных и мышечных клеток (обладает способностью к самораспространению).

Местное возбуждение (локальный ответ):

1. Ответ на допороговые раздражители

2. Медленная деполяризация

3. Амплитуда 20 мВ

4. Способность к суммации

5. На высоте возбуждения возбудимость повышена

6. Зависимость от силы раздражителя или от квантов медиатора (градуальная деполяризация)

7. Не подчиняется закону “все или ничего”

8. Нет специфической реакции.

Распространяющееся возбуждение (потенциал действия):

1. Ответ на пороговые и сверхпороговые стимулы

2. Быстрая деполяризация

3. Амплитуда 100 – 120 мВ

4. Суммация невозможна

5. На высоте возбуждения возбудимость отсутствует

6. Подчиняется закону “все или ничего”

7. Вызывает специфическую реакцию.

ИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ.

Возникновение ПД связано с изменением проницаемости клеточной мембраны при ее возбуждении. При снижении мембранного потенциаладо некоторого критического уровня открываются натриевые каналы и ионы натрия по градиенту концентрации, без затрат энергии устремляются внутрь клетки, обусловливая фазу деполяризации потенциала действия. Уровень мембранного потенциала падает до нуля, а затем происходит перезарядка мембраны (овершут).

Деполяризация и увеличение входа ионов натрия после достижения уровня критической деполяризации взаимообусловлены. Чем больше деполяризация, тем больше проницаемость для натрия. Чем больше натрия входит в клетку, тем больше деполяризация.

Этот лавинообразный поток ионов натрия внутрь клетки продолжается до момента перезарядки мембраны. Во время овершута (перескока) наступает резкое снижение проницаемости для натрия (натриевая инактивация), но резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия, которые по градиенту концентрации без затрат энергии, выходят из клетки, компенсируя вошедшие положительно заряженные ионы натрия и обусловливая возвращение мембранного потенциала на исходный уровень (фаза реполяризации).

Таким образом, по заряду (потенциалу) клетка вернулась на исходный уровень, а ионный состав ее нарушен. Внутри увеличилось количество ионов натрия, а снаружи увеличилось количество ионов калия. Это именно та ситуация, когда натриевый насос работает наиболее активно, восстанавливая ионное равновесие (точнее ионное неравновесие) клетки.

Порог раздражения - та критическая величина деполяризации клеточной мембраны, при котором активируется перенос ионов натрия внутрь клетки.

Возникновение потенциала действия связано в основном с движением ионов натрия внутрь. Поэтому ПД считают “натриевым потенциалом”, в отличие от потенциала покоя, который считается в основном “калиевым”.

В тканях и органах потенциалы действия отдельных, синхронно или асинхронно работающих клеток могут суммироваться с помощью специальных приборов (внеклеточная регистрация):

• электрокардиография

• электромиография

• электроэнцефалография

• электрогастрография.

Суммарные биопотенциалы различных органов отражают их функциональное состояние.

ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ.