Фізіологія збуДливих тканин

Організм і його клітини можуть знаходитись або у діяльному стані, або у стані спокою. Діяльний стан клітини називають збудженням, а недіяльний — фізіологічним спокоєм. При вивченні збудження як фізіологічного процесу необхідно виділити і розглянути такі поняття: подразливість, збудливість, подразник, подразнення і збудження.

Подразливість — це здатність клітин переходити із стану фізіологічного спокою у діяльний стан у відповідь на дію будь-якої сили, яку називають подразником, процес дії цієї сили — подразненням, а відповідь на нього — біологічною реакцією. Біологічна реакція може бути локальною, тобто розвиватись у місці подразнення і не поширюватись на суміжні ділянки мембрани, а може розповсюджуватись уздовж мембрани по всій клітині. Біологічна реакція, що розповсюджується, носить назву збудження, а здатність клітин до збудження — збудливістю. Характер біологічної реакції на вплив подразника залежить від типу тканини. Так, клітини епітеліальної і сполучної тканин здатні тільки до місцевих біологічних реакцій, а нервові, м'язові і частково клітини залозистих органів — до збудження. У цих тканин відповідна реакція на подразнення проявляється яскраво і наступає швидко. Тому нервову, м'язову і залозисту тканину прийнято називати збудливими.

Подразники поділяюгь за двома ознаками: силою дії і видом сили природи. Будь-який подразник малої сили не викликає збудження. Воно з'являється тільки тоді, коли ця сила досягає певної величини, тобто порогу сили — найменшої сили подразника, яка викликає збудження. Сила подразника, що буде вища порогу, називається надпороговою. При дії надпорогової сили у деяких тканинах (наприклад, м'язових) збільшується величина біологічної реакції (м'язового скорочення). Таку відповідь називають градуальною. Чим більша сила подразника, тим більша величина збудження. При дальшому збільшенні сили подразника біологічна реакція не зростає, тому що біологічна система досягла межі своїх функціональних можливостей. Найменша сила подразника, при якій спостерігається найбільша біологічна реакція, буде оптимальною (найкращою). При надто великій силі подразнення реакція (скорочення м'язу) може зменшуватись, це — песимальна (найгірша) сила подразника.

За відношенням біологічної системи до видів подразників (світла, звуку, механічної сили, хімічних факторів та ін.) вони поділяються на дві групи: адекватні і неадекватні. Адекватні — це ті, до яких рецепторний апарат клітини протягом еволюції пристосувався шляхом підвищення збудливості. Поріг збудження у адекватних подразників надзвичайно низький. Наприклад, світло силою в один-два фотони викликає збудження рецепторної клітини ока. Вухо сприймає механічні коливання будь-якого середовища силою 10-¹⁸ Дж. Але рецепторні клітини вуха й ока збуджуються також при дії значної механічної сили, наприклад удару. Подразники, які не відповідають біологічним особливостям тканини, називаються неадекватними.

Встановлено, що загальним для збудження всіх клітин незалежно від специфічності функцій є поява електричного потенціалу на поверхні мембрани. Всі прояви життєдіяльності клітин так чи інакше пов'язані з біоелектричними явищами. Початок вивчення біоелектричних явищ пов'язаний з ім'ям італійського вченого Л. Гальвані (1737—1798).

Біоелектричні явища в збудливих тканинах. Особливістю хімічного складу клітин і оточуючої міжклітинної рідини є різниця концентрації іонів (молекул солей, дисоційованих на аніони і катіони) у різних частинах середовища. На зовнішній поверхні мембрани набагато більше іонів натрію і хлору, на внутрішньому — калію та органічних аніонів. Вимірювання електричного заряду, виконане за допомогою мікроелектродної техніки, показує різницю між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани. Внутрішня поверхня мембрани заряджена негативно по відношенню до міжклітинного простору. Ця різниця між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани називається мембранним потенціалом. Для різних клітин збудливих тканин він буває у межах від –60 до –90 мВ, а для клітин епітеліальних тканин від –18 до –20мВ.

Виникнення мембранного потенціалу пов'язане з особливостями будови і властивостями мембрани. Цитоплазматична мембрана складається з трьох шарів. Центральний бімолекулярний шар ліпідів розташований між двома шарами білків. Ліпідний шар не є суцільним. В окремих місцях його пронизують білки, утворюючи трансмембранні пори — канали. Вважають, що вони вибірково пропускають одні іони в клітину і затримують інші. У стані спокою через канали можуть вільно проходити тільки іони калію, оскільки їхній діаметр менший за діаметр каналу. Потік настільки значний, що може швидко вирівняти осмотичний тиск (або концентрацію цього іону), якби йому не протидіяла протилежно спрямована сила, зумовлена електричним зарядом К⁺. Іони К⁺, внаслідок їхнього хімічного градієнта, залишають клітину. Вони виносять позитивний заряд з цитоплазми, чим збільшують його на зовнішньому боці мембрани (мембранний конденсатор). Величина позитивного заряду на зовнішній поверхні мембрани відповідає негативному заряду на внутрішній. Вихід позитивних зарядів утворює електричний потенціал, який перешкоджає подальшому виходу інших позитивно заряджених часточок. Мембранний потенціал продовжує збільшуватись доти, поки сили, які заважають виходу К⁺, не стануть рівними осмотичному тиску іонів калію. При такому значенні потенціалів вихід і вхід К⁺ врівноважуються. Це явище називають калієвим рівноважним потенціалом. Саме він визначає співвідношення концентрації калію всередині і ззовні клітини.

В стані спокою мембрана проникна не тільки для К⁺, а й для Nа⁺, але в значно меншій мірі.

Іони Сl^– в утворенні потенціалу спокою нервових клітин не мають суттєвого значення, оскільки проникність мембрани для них невелика. Але мембрани скелетних м'язів проникні і для Сl^–, і для К⁺, тому дифузія Сl^– всередині клітини підвищує значення потенціалу спокою.

Мембрани — не ідеальний ізолятор для іонів, тому останні можуть дифундувати по градієнту концентрації. Для підтримання різниці концентрації іонів і відповідної різниці потенціалів у мембрані існують механізми активного транспорту іонів натрію зсередини клітини на поверхню її мембрани і калію ззовні всередину клітини, які називають натрієво-калієвими насосами. Вони працюють взаємоузгоджено, з витратою енергії макро-ергічних зв'язків АТФ, ресинтез якої відбувається у безкисневих і дихальних ланцюгах.

Стан мембрани, коли заряди на ній розділені певним чином: ззовні — позитивні, а на внутрішній поверхні — негативні, називається поляризацією мембрани. У стані фізіологічного спокою мембрана завжди поляризована. Саме поляризація мембрани забезпечує її біологічну властивість — збудливість, тобто готовність до відповіді на будь-яке подразнення.

На організм постійно діють фактори зовнішнього чи внутрішнього середовища, внаслідок чого він із стану фізіологічного спокою переходить у діяльний стан. Мембрани клітин чутливі до різних подразників. Ті мембрани, які відповідають на дію електричних розрядів, називають електрозбудливими мембранами. Це мембрани тіла нервових клітин і нервового волокна, а також більша частина мембран м'язового волокна, що здатні до тетанічного скорочення. Збудження нервового і м'язового волокон може бути викликане й іншими подразниками: механічними, хімічними і температурними. Хімічні подразники—це розчини кислот, нейтральних солей і органічних сполук; механічні—удари, стиснення; температурні — швидке нагрівання до 35—50°С або охолодження до 4°С.

У високоорганізованих тварин розвинулись утвори — рецептори, спеціалізовані на сприйманні певних адекватних подразників.

Під час дії подразника на клітину в ній відбуваються складні перебудови мікроструктур, зміни обміну речовин, змін концентрації іонів і, нарешті, виникає специфічна реакція, обумовлена електричним потенціалом, який називають потенціалом дії. За допомогою цих потенціалів у нервовій системі передається інформація від однієї клітини до другої, регулюється діяльність інших аферентних клітин, передаються сигнали від нервів до м'язових клітин. Розрізняють локальний потенціал та потенціал дії.

Після дії подразника на мембрану виникає її деполяризація, спочатку тільки в місці подразнення. Ці зміни називають місцевою, або локальною, відповіддю. Цей процес обумовлений переміщенням іонів через канали мембран. Для цих мембран характерні дві найважливіші особливості: вибіркова проникність (селективність) для окремих іонів та електрозбудливість, тобто здатність відкриватись і закриватись у відповідь на зміну мембранного потенціалу.

Під дією подразника виникає оборотна зміна форми білка (конформація), що утворює канал. Внаслідок цього пори стають проникні для іонів Nа+, що нейтралізують негативний внутрішній заряд, і рівень поляризації мембрани зменшується. Так починається процес деполяризації. Незначний процес деполяризації, який виникає на початку збудження, називають місцевим потенціалом мембрани, або локальним потенціалом. Його особливостями є те, що він: 1) залежить від сили подразнення, 2) зникає після того, як припиняється незначне подразнення, 3) зростає відносно повільно, 4) здатний до сумації, 5) нездатний до незатухаючого розповсюдження по волокну. Локальний потенціал є однією з форм місцевої відповіді клітини на подразнення.

Як тільки місцевий потенціал досягає певного критичного рівня (для нервового волокна приблизно 10 мВ), починається деполяризація мембрани, що збільшує проникність іонів натрію, а це у свою чергу приводить до подальшої деполяризації мембрани і т. д. Таким чином, після досягнення критичного рівня деполяризації виникає вибухоподібний процес збудження. Короткочасна зміна мембранного потенціалу носить назву потенціалу дії (ПД), або електричного імпульсу. ПД має характерну структуру — короткочасний пік (складається із висхідної і низхідної частин) і слідовий потенціал — позитивний і негативний. Його іонний механізм такий: при досягненні критичного рівня деполяризації настає швидке відкриття значної кількості натрієвих каналів, що приводить до лавиноподібного проникнення Nа⁺ у клітину і повної деполяризації мембрани. У цей час вирівнюються її заряди на внутрішній і зовнішній поверхнях. Але рух Nа⁺ всередину клітини продовжується до зміни заряду мембранного потенціалу. Зовнішня частина мембрани заряджається негативно, а внутрішня позитивно. Настає інверсія фаз.

По досягненні певного значення ПД (120 мВ) рух Nа⁺ всередину мембрани раптово припиняється, але продовжується значний вихід К⁺. Це призводить до припинення зростання струму дії та раптового повернення його напрямку в зворотний бік. Закінчується пік ПД, і починається його слідова фаза, тобто відновлення поляризації мембрани — реполяризація. Після закінчення піку ПД мембрана протягом 15—30 мс залишається ще частково деполяризованою. Такий стан носить назву слідового негативного потенціалу.

У продовженні процесу реполяризації беруть участь натрієві та калієві насоси. Спочатку натрієвий викачує Nа⁺ назовні, відновлюючи початкову різницю концентрації. Потім включається калієвий насос, який повертає К⁺ всередину клітини з міжклітинного простору. Це завершує повне відновлення потенціалу спокою (—90 мВ). Але дія калієвого насоса продовжується ще деякий час. Тому К⁺ надходить всередину клітини більше, ніж вийшло під час збудження. Це спричинює збільшення різниці між внутрішньою і зовнішньою поверхнями мембрани (наприклад, —93, —95 мВ проти —90мВ). Цей період називають гіперполяризацією, яка є позитивною частиною слідового потенціалу. Його тривалість становить 50—300 мс і залежить від генетичнj запрограмованої функції клітини, а також від її функціонального стану.

Робота насосів забезпечується енергією АТФ. Кількість енергії, яка необхідна для виникнення і проведення нервового імпульсу, дуже мала. Нервове волокно, в якому виключені механізми утворення АТФ, може провести більше, ніж 100000 імпульсів.

Крім натрієвих і калієвих каналів на цитоплазматичних мембранах збудливих клітин є кальцієві канали. Вони ретельно вивчаються останнім часом П. Г. Костюком та його співробітниками.

Кальцієві канали також як натрієві і калієві є потен-ціалзалежними, але на відміну від останніх функціонують тільки при наявності енергетичного забезпечення клітини. Так, вони здатні активізуватися лише при наявності у внутрішньоклітинній рідині циклічного аденозинмонофос-фату (цАМФ), а також АТФ та іонів магнію, тобто тих факторів, які необхідні для підтримання реакції фосфорилювання мембранних білків.

Другою особливістю кальцієвих каналів є вибіркова проникливість їх для двовалентних іонів. Вважається, що в каналі є принаймні одне місце, з яким зв'язується іон Са²⁺ і таким чином попереджає надходження в канал одновалентних іонів і підтримує вибіркову проникливість для двовалентних. Причому це здійснюється в такий спосіб: Ва²⁺ < Sг²⁺ > Са²⁺ >>Мg²⁺.

У виникненні і розповсюдженні потенціалу дії кальцій бере участь шляхом певного внеску у процес деполяризації, але головним чином здійснюючи регуляцію натрієвої і калієвої проникливості мембран. Головна ж роль кальцієвих каналів пов'язана із взаємозв'язком між деполяризацією мембрани і внутрішньоклітинними процесами.

Для порівняння збудливості окремих клітин, нервових волокон або тканин використовують такі показники: поріг сили, хронаксію і лабільність.

Поріг сили — це найменша сила подразника, яка викликає критичний рівень деполяризації мембрани і перехід локальної відповіді у генералізовану.

Хронаксія. Порогова сила будь-якого стимулу в певних межах знаходиться у зворотному зв'язку з тривалістю її дії. Ця залежність особливо чітко виявляється при подразненні електричним струмом. Вона визначається кривою сили — тривалості, або сили — часу. Найменшу силу постійного струму, яка здатна викликати збудження (поріг подразнення), називають реобазою. Найменший час, протягом якого повинен діяти подразник величиною в одну реобазу, називається корисним часом. Для встановлення значення часу, що характеризує збудливість, запропоновано поняття хронаксія. Хронаксія — це час, протягом якого повинен діяти струм подвійної реобази, щоб викликати збудження. Використання хронаксії в деяких випадках спостерігається у неврологічній практиці.

Лабільність, або функціональна рухливість, — поняття, запропоноване Н. Є. Введенським (1852—1922). Вона відображує здатність нервових клітин, синапсів, тканин проводити певну кількість імпульсів і залежить від швидкості руху потенціалу дії. Оскільки реполяризація мембран здійснюється завдяки транспорту іонів проти градієнта і спрямовується ферментними системами, які забезпечують активний перехід іонів, цей показник дуже чутливий до функціонального стану тканини.

Акомодація. Велике значення для виникнення збудження має швидкість наростання сили подразника, тобто його градієнт. При дуже повільному зростанні сили струму потенціал дії не виникає тому, що процес генералізації локального потенціалу не розвивається. Це явище — залежність порогу збудливості від наростання сили подразнюючого струму — називають акомодацією. Воно пов'язане з процесами, які викликають деполяризацію мембрани, інактивацію проникності іонів натрію і підвищення проникності іонів калію. Внаслідок цих процесів зменшується вхідний натрієвий потік і збільшується вихідний калієвий потік. Тому для досягнення критичного рівня деполяризації необхідно підвищувати поріг сили.

Зміни збудливості під час збудження. При подразненні нервового чи м'язового волокна відповідь на подразнення залежить від проміжку часу, через який його буде нанесено. Причина в тому, що при збудженні збудливість змінюється. Під час розвитку локального потенціалу вона підвищується. Пік потенціалу дії співпадає із зменшенням її до нуля (навіть найсильніший подразник не здатний викликати нове збудження). Цей період називається фазою абсолютної незбудливості, або абсолютної рефрактерності. Вона змінюється фазою відносної рефрактерності, тобто поступового відновлення збудливості. На повторні подразнення у цей час можуть бути відповіді, але необхідно збільшити силу подразника. Після фази відносної рефрактерності збудливість тканин на деякий час підвищується у порівнянні з вихідною. Цей період називають супернормальною фазою, в основі якої лежить слідова деполяризація мембрани. Супернормальна фаза змінюється незначним зниженням збудливості — субнормальною фазою, яка пов'язана з гіперполяризацією мембрани. Після закінчення цієї фази встановлюється початкова збудливість тканин.

Тривалість фаз збудливості для волокон рухового нерву: абсолютна рефрактерність — 0,5 мс, відносна рефhактерність—4,8 мс, супернормальна фаза— 15—30 мс, субнормальна — 50 мс.

Механізм розповсюдження збудження. Збудження, що виникає у певній частині мембрани клітини, розповсюджується вздовж нервового або м'язового волокна. Це відбувається тому, що збуджена ділянка стає джерелом утворення місцевих колових струмів, тобто направленого потоку електронів між збудженою і ще не збудженою ділянками мембрани клітини (рис. 11). На поверхні волокна струм тече від незбудженої до збудженої ділянки, а всередині волокна — навпаки. Утворюється коло струму, яке пронизує мембрану на певній відстані від збудженої ділянки у висхідному напрямку. Такий трансмембранний потік викликає конформацію білків, мембрани, що утворюють натрієві канали і трансмембранний потік натрію всередину мембрани в сусідній ділянці. За цим виникають деполяризація мембрани клітини і розвиток локального потенціалу.

Коли деполяризація досягає критичного рівня, з'являється новий генеративний потенціал дії і процес збудження переміщується на наступну ділянку. Далі виникає ефекторний механізм: попереду хвилі збудження розповсюджуються хвиля локального, або кільцевого, електричного струму. Електричне поле кільцевого струму, що перетинає незбудливу частину мембрани, розповсюджується на значну відстань від місця збудження і у віддалених частинах виникає посилення збудження, а у частині, що розташована поруч із збудженою ділянкою мембрани, розвивається нове збудження. Так потенціал дії розповсюджується по всій поверхні нервового волокна, якої б довжини боно не було (1 м або й більше), без зниження своєї величини (120 мВ), тобто не затухаючи (бездекрементно).

У м'язових і немієлінових нервових волокнах збудження розповсюджується безперервно «від крапки до крапки», по мієліновому нервовому волокну — стрибкоподібно від одного вузла до іншого, а інколи перестрибуючи через 2—4 вузли. Такий тип проведення збудження називається сальтаторним. Воно можливе тільки тому, що кільцевий струм, який перетинає ще незбуджену мембрану, в 5 разів вищий, ніж пороговий для виникнення потенціалу дії. Ця властивість кільцевого струму називається фактором гарантії. Швидкість сальтаторного розповсюдження значно вища, ніж безперервного. У сальтаторному вона досягає 120 м/с, а у безперервному м'язовому волокні — 0,5 м/с і менше.