Электрическая гетерогенность сердца. Сократимость миокарда

Главная

Системы безопасности

В тех случаях, когда имеет место разделение зарядов и положительные заряды расположены в одном месте, а отрицательные в другом, физики говорят о поляризации заряда. Физики употребляют термин по аналогии с разноименными магнитными силами, которые скапливаются на противоположных концах, или полюсах (название дано потому, что свободно двигающаяся намагниченная полоска указывает своими концами в стороны географических полюсов) полосового магнита.

В обсуждаемом случае мы имеем концентрацию положительных зарядов на одной стороне мембраны и концентрацию отрицательных зарядов на другой стороне мембраны, то есть мы можем говорить о поляризованной мембране.

Однако в любом случае, когда имеет место разделение зарядов, немедленно возникает и электрический потенциал. Потенциал является мерой силы, которая стремится сблизить разделенные заряды и ликвидировать поляризацию. Электрический потенциал поэтому называют также электродвижущей силой, которая сокращенно обозначается ЭДС.

Электрический потенциал называется потенциалом именно потому, что он в действительности не приводит в движение заряды, так как существует противодействующая сила, удерживающая противоположные электрические заряды от сближения. Эта сила будет существовать до тех пор, пока расходуется энергия па ее поддержание (что и происходит в клетках). Таким образом, сила, стремящаяся сблизить заряды, обладает лишь возможностью, или потенцией, сделать это, и такое сближение происходит только в том случае, когда энергия, затрачиваемая на разделение зарядов, ослабевает. Электрический потенциал измеряют в единицах, названных вольтами, в честь Вольта, человека, создавшего первую в мире электрическую батарею.

Физики сумели измерить электрический потенциал, существующий между двумя сторонами клеточной мембраны. Он оказался равным 0,07 вольт. Можно сказать также, что этот потенциал равен 70 милливольтам, так как милливольт равен одной тысячной вольта. Конечно, это очень маленький потенциал по сравнению со 120 вольтами (120 000 милливольт) напряжения в сети переменного тока или по сравнению с тысячами вольт напряжения в линиях электропередачи. Но это все же удивительный потенциал, учитывая материалы, которые имеет в своем распоряжении клетка для построения электрических систем.

Любая причина, прерывающая деятельность натриевого насоса, приведет к резкому выравниванию концентраций ионов натрия и калия по обе стороны мембраны. Это, в свою очередь, автоматически приведет к выравниванию зарядов. Таким образом, мембрана станет деполяризованной. Конечно, это происходит при повреждении или гибели клетки. Но существуют, правда, три вида стимулов, которые могут вызвать деполяризацию, не причиняя клетке никакого вреда (если, конечно, эти стимулы не слишком сильны). К таким лам относятся механические, химические и электрические.

Давление - это пример механического стимула. Давление на участок мембраны приводит к а расширению и (по пока не попятным причинам) вызовет в этом месте деполяризацию. Высокая температура приводит к расширению мембраны, холод сокращает ее, и эти механические изменения тоже вызывают деполяризацию.

К такому же результату приводит воздействие на мембрану некоторых химических соединений и воздействие на нее слабых электрических токов.

(В последнем случае причина деполяризации представляется наиболее очевидной. В конце концов, почему электрический феномен поляризации нельзя изменить с помощью приложенного извне электрического потенциала?)

Произошедшая в одном месте мембраны деполяризация служит стимулом для распространения деполяризации по мембране. Ион натрия, хлынувший в клетку в месте, где произошла деполяризация прекратилось действие натриевого насоса, вытесняет наружу ион калия. Ионы натрия меньше размерами и более подвижны, чем ионы калия. Поэтому в клетку входит больше ионов натрия, чем выходит из нее ионов калия. В результате кривая деполяризации пересекает нулевую отметку и поднимается выше. Клетка снова оказывается поляризованной, но с обратным знаком. На какой-то момент клеш приобретает внутренний положительный заряд, благодаря присутствию в ней избытка ионов натрия. На внешней стороне мембраны появляется маленький отрицательный заряд.

Противоположно направленная поляризация может служить электрическим стимулом, который парализует работу натриевого насоса в участках, примыкающих к месту первоначального стимула. Эти примыкающие участки поляризуются, потом происходит поляризация с обратным знаком и возникает деполяризация в более отдаленных участках. Таким образом, волна деполяризации прокатывается по всей мембране. В начальном участке поляризация с обратным знаком не может продолжаться долго. Ионы калия продолжают выходить из клетки, постепенно их поток уравнивается с потоком входящих ионов натрия. Положительный заряд внутри клетки исчезает. Это исчезновение обратного потенциала в какой-то степени реактивирует натриевый насос в этом месте мембраны. Ионы натрия начинают выходить из клетки, и в нее начинают проникать ионы калия. Данный участок мембраны вступает в фазу реполяризации. Так как эти события происходят во всех участках деполяризации мембраны, то вслед за волной деполяризации по мембране прокатывается волна реполяризации.

Между моментами деполяризации и полной ре-поляризации мембраны не отвечают на обычные стимулы. Этот период времени называется рефракторным периодом. Он длится очень короткое время малую долю секунды. Волна деполяризации, прошедшая через определенный участок мембраны, делает этот участок невосприимчивым к возбуждению. Предыдущий стимул становится в каком-то смысле единичным и изолированным. Как именно мельчайшие изменения зарядов, участвующие в деполяризации, реализуют такой ответ, неизвестно, но факт остается фактом - ответ мембраны на стимул изолирован и единичен. Если мышцу стимулировать в одном месте небольшим электрическим разрядом, то мышца сократится. Но сократится не только тот участок, к которому было приложено электрическое раздражение; сократится все мышечное волокно. Волна деполяризации проходит по мышечному волокну со скоростью от 0,5 до 3 метров в секунду, в зависимости от длины волокна, и этой скорости достаточно, чтобы создалось впечатление, что мышца сокращается, как одно целое.

Этот феномен поляризации-деполяризации-реполяризации присущ всем клеткам, но в некоторых он выражен больше. В процессе эволюции появились клетки, которые извлекли выгоды из этого явления. Эта специализация может пойти в двух направлениях. Во-первых, и это происходит весьма редко, могут развиться органы, которые способны создавать высокие электрические потенциалы. При стимуляции деполяризация реализуется не мышечным сокращением или другим физиологическим ответом, а возникновением электрического тока. Это не пустая трата энергии. Если стимул -это нападение врага, то электрический разряд может ранить или убить его.

Существует семь видов рыб (некоторые из них костистые, некоторые относятся к отряду хрящевых, являясь родственниками акул), специализированных именно в этом направлении. Самый живописный представитель - это рыба, которую в народе называют «электрическим угрем», а в науке весьма символическим именем - Electrophorus electricus. Электрический угорь - обитатель пресных вод, и встречается в северной части Южной Америки - в Ориноко, Амазонке и ее притоках. Строго говоря, эта рыба не родственница угрям, ее назвали так за длинный хвост, который составляет четыре пятых тела этого животного, длина которого составляет от 6 до 9 футов. Все обычные органы этой рыбы умещаются в передней части туловища длиной около 15 - 16 дюймов.

Более половины длинного хвоста занято последовательностью блоков модифицированных мышц, которые образуют «электрический орган». Каждая из этих мышц производит потенциал, который не превышает потенциал обычной мышцы. Но тысячи и тысячи элементов этой «батареи» соединены таким образом, что их потенциалы складываются. Отдохнувший электрический угорь способен накопить потенциал порядка 600 - 700 вольт и разряжать его со скоростью 300 раз в секунду. При утомлении этот показатель снижается до 50 раз в секунду, но такой темп угорь может выдержать в течение длительного времени. Электрический удар достаточно силен для того, чтобы убить мелкое животное, которыми питается эта рыба, или чтобы нанести чувствительное поражение животному более крупному, которое по ошибке вдруг решит съесть электрического угря.

Электрический орган - это великолепное оружие. Возможно, к такому электрошоку с удовольствием прибегли бы и другие животные, но эта батарея занимает слишком много места. Представьте себе, как мало животных имели бы крепкие клыки и когти, если бы они занимали половину массы их тела.

Второй тип специализации, предусматривающий использование электрических явлений, протекающих па клеточной мембране, заключается не в усилении потенциала, а в увеличении скорости распространения волны деполяризации. Возникают клетки с удлиненными отростками, которые представляют собой почти исключительно мембранные образования. Главная функция этих клеток - очень быстрая передача стимула от одной части тела к другой. Именно из таких клеток состоят нервы - те самые нервы, с рассмотрения которых началась эта глава.

Изменение МП возникают не только непосредственно в точках приложения к нервному волокну катода и анода , но и на некотором расстоянии от них, но величина этих сдвигов убывает по мере удаления от электродов. Изменения МП под электродами носят название электротонических (соответственно кат-электротон и ан-электротон), а за электродами - периэлектротонических (кат- и ан - периэлектротон).

Увеличение МП под анодом (пассивная гиперполяризация) не сопровождается изменением ионной проницаемости мембраны даже при большой силе приложенного тока. Поэтому при замыкании постоянного тока возбуждение под анодом не возникает. В отличие от этого, уменьшение МП под катодом (пассивная деполяризация) влечет за собой кратковременное повышение проницаемости для Na, что приводит к возбуждению.

Повышение проницаемости мембраны для Na при пороговом раздражении не сразу достигает максимальной величины. В первый момент деполяризация мембраны под катодом приводит к небольшому увеличению натриевой проницаемости и открытию небольшого числа каналов. Когда же под влиянием этого в протоплазму начинают поступать заряженные положительно ионы Na+, то деполяризация мембраны усиливается. Это ведет к открытию других Na-каналов, и, следовательно, к дальнейшей деполяризации, которая, в свою очередь, обуславливает еще большее повышение натриевой проницаемости. Этот круговой процесс, основанный на т. н. положительной обратной связи, получил название регенеративной деполяризации. Возникает она только при снижении Ео до критического уровня (Ек). Причина повышения натриевой проницаемости при деполяризации связана, вероятно, с удалением Са++ из натриевых ворот при возникновении электроотрицательности (или снижении электроположительности) на наружной стороне мембраны.

Повышенная натриевая проницаемость через десятые доли миллисекунды за счет механизмов натриевой инактивации прекращается.

Скорость, с которой происходит деполяризация мембраны, зависит от силы раздражающего тока. При слабой силе деполяризация развивается медленно, и поэтому для возникновения ПД такой стимул должен иметь большую длительность.

Локальный ответ, который возникает при под пороговых стимулах, так же, как и ПД, обусловлен повышением натриевой проницаемости мембраны. Однако при под пороговом стимуле это повышение недостаточно велико для того, чтобы вызвать процесс регенеративной деполяризации мембраны. Поэтому начавшаяся деполяризация приостанавливается инактивацией и повышением калиевой проницаемости.

Подводя итог изложенному выше, можно следующим образом изобразить цепь событий, развивающихся в нервном или мышечном волокне под катодом раздражающего тока: пассивная деполяризация мембраны ---- повышение натриевой проницаемости --- усиление потока Na внутрь волокна --- активная деполяризация мембраны -- локальный ответ --- превышение Ек --- регенеративная деполяризация --- потенциал действия (ПД).

Каков же механизм возникновения возбуждения под анодом при размыкании? В момент включения тока под анодом мембранный потенциал возрастает - происходит гиперполяризация. При этом разница между Ео и Ек растет, и для того, чтобы сдвинуть МП до критического уровня, нужна большая сила. При выключении тока (размыкание) исходный уровень Ео восстанавливается. Казалось бы, в это время нет условий для возникновения возбуждения. Но это справедливо только для того случая, если действие тока продолжалось очень короткое время (менее 100 мсек.). При длительном действии тока начинает меняться сам критический уровень деполяризации - он растет. И, наконец, возникает момент, когда новый Ек становится равным старому уровню Ео. Теперь при выключении тока возникают условия для возбуждения, ибо мембранный потенциал становится равным новому критическому уровню деполяризации. Величина ПД при размыкании всегда больше, чем при замыкании.

Зависимость пороговой силы стимула от его длительности. Как уже указывалось, пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. В особенно четкой форме эта зависимость проявляется при использовании в качестве раздражителя прямоугольных толчков постоянного тока. Полученная в таких опытах кривая получила название "кривой силы-времени". Она была изучена Гоорвегом, Вейсом и Лапиком в начале века. Из рассмотрения этой кривой прежде всего следует, что ток ниже некоторой минимальной величины или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он не действовал. Минимальная сила тока, способная вызвать возбуждение, названа Лапиком реобазой. Наименьшее время, в течение которого должен действовать раздражающий стимул, называют полезным временем. Усиление тока приводит к укорочению минимального времени раздражения, но не беспредельно. При очень коротких стимулах кривая силы-времени становится параллельной оси координат. Это означает, что при таких кратковременных раздражениях возбуждения не возникает, как бы ни была велика сила раздражения.

Определение полезного времени практически затруднено, так как точка полезного времени находится на участке кривой, переходящей в параллельную. Поэтому Лапик предложил использовать полезное время двух реобаз - хронаксию. Ее точка находится на самом крутом участке кривой Гоорвега-Вейса. Хронаксиметрия получила широкое распространение как в эксперименте, так и в клинике для диагностики повреждений волокон двигательных нервов.

Выше уже указывалось, что деполяризация мембраны приводит к началу двух процессов: одного - быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемости и возникновению ПД, а другого - медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и к окончанию возбуждения. При крутом нарастании стимула Na-активация успевает достичь значительной величины прежде, чем развивается Na-инактивация. В случае медленного нарастания силы тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога и снижению амплитуды ПД. Все агенты, усиливающие или ускоряющие инактивацию, увеличивают скорость аккомодации.

Аккомодация развивается не только при раздражении возбудимых тканей электрическим током, но и в случае применения механических, термических и прочих стимулов. Так, быстрый удар палочкой по нерву вызывает его возбуждение, при медленном же надавливании на нерв той же палочкой возбуждения не возникает. Изолированное нервное волокно можно возбудить быстрым охлаждением, а медленным - нельзя. Лягушка выпрыгнет, если ее бросить в воду с температурой 40 градусов, но если ту же лягушку поместить в холодную воду, и медленно нагревать ее, то животное сварится, но не будет реагировать прыжком на подъем температуры.

В лаборатории показателем скорости аккомодации является та наименьшая крутизна нарастания тока, при которой стимул еще сохраняет способность вызывать ПД. Эту минимальную крутизну называют критическим наклоном. Его выражают или в абсолютных единицах (мА/сек), или в относительных (как отношение пороговой силы того постепенно нарастающего тока, который еще способен вызывать возбуждение, к реобазе прямоугольного толчка тока).

Рисунок 4. Кривая силы-времени Гоорвега-Вейса. Обозначения: Х – хронаксия, ПВ - полезное время, Р - реобаза, 2р - сила в две реобазы

Закон "все или ничего". При изучении зависимости эффектов раздражения от силы приложенного стимула был установлен т. н. закон "все или ничего".

Согласно этому закону, под пороговые раздражения не вызывают возбуждения ("ничего"), при пороговых же стимулах возбуждение сразу приобретает максимальную величину ("все"), и уже не возрастает при дальнейшем усилении раздражителя.

Эта закономерность первоначально была открыта Боудичем при исследовании сердца, а в дальнейшем подтверждена и на других возбудимых тканях. Долгое время закон "все или ничего" неправильно интерпретировался как общий принцип реагирования возбудимых тканей. Предполагали, что "ничего" означает полное отсутствие ответа на под пороговый стимул, а "все" рассматривалось как проявление полного исчерпания возбудимым субстратом его потенциальных возможностей. Дальнейшие исследования, в особенности микроэлектродные, показали, что эта точка зрения не соответствует действительности. Выяснилось, что при под пороговых силах возникает местное не распространяющееся возбуждение (локальный ответ). Вместе с тем оказалось, что "все" также не характеризует того максимума, которого может достигнуть ПД. В живой клетке существуют процессы, активно приостанавливающие деполяризацию мембраны. Если каким-либо воздействием на нервное волокно, например, наркотиками, ядами, ослабить входящий Na-ток, обеспечивающий генерацию ПД, то он перестает подчиняться правилу "все или ничего" - его амплитуда начинает градуально зависеть от силы стимула. Поэтому "все или ничего" рассматривается сейчас не как всеобщий закон реагирования возбудимого субстрата на раздражитель, а лишь как правило, характеризующее особенности возникновения ПД в данных конкретных условиях.

Понятие о возбудимости. Изменения возбудимости при возбуждении. Параметры возбудимости.

Возбудимостью называется способность нервной или мышечной клетки отвечать на раздражение генерацией ПД. Основным мерилом возбудимости обычно служит реобаза. Чем она ниже, тем выше возбудимость, и наоборот. Связано это с тем, что, как мы уже говорили ранее, главным условием возникновения возбуждения является достижение МП критического уровня деполяризации (Ео <= Ек). Поэтому мерилом возбудимости является разница между этими величинами (Ео - Ек). Чем меньше эта разница, тем меньшую силу надо приложить к клетке, чтобы сдвинуть мембранный потенциал до критического уровня, и, следовательно, тем больше возбудимость клетки.

Еще Пфлюгер показал, что возбудимость - величина непостоянная. Катод повышает возбудимость, анод ее понижает. Напомним, что эти изменения возбудимости под электродами носят название электротонических. Русский ученый Вериго показал, что при длительном действии постоянного тока на ткань, или при действии сильных раздражителей эти электротонические изменения возбудимости извращаются - под катодом начальное повышение возбудимости сменяется ее понижением (развивается т. н. катодическая депрессия), а под анодом сниженная возбудимость постепенно возрастает. Причина этих изменений возбудимости на полюсах постоянного тока связана с тем, что величина Ек меняется при длительном действии раздражителя. Под катодом (и при возбуждении) Ек постепенно удаляется от МП, снижается, так что наступает момент, когда разница Е0-Ек становиться больше исходной. Это приводит к падению возбудимости ткани. Напротив, под анодом Ек имеет тенденцию к возрастанию, постепенно приближаясь к Ео. Возбудимость при этом растет, так как уменьшается исходная разница между Ео и Ек.

Причиной изменения критического уровня деполяризации под катодом является инактивация натриевой проницаемости, обусловленная длительной деполяризацией мембраны. Вместе с этим значительно повышается проницаемость для К. Все это приводит к тому, что мембрана клетки утрачивает способность отвечать на действие раздражающих стимулов. Такие же изменения мембраны лежат и в основе рассмотренного уже явления аккомодации. Под анодом же при действии тока явления инактивации снижаются.

Изменения возбудимости при возбуждении. Возникновение в нервном или мышечном волокне ПД сопровождается многофазными изменениями возбудимости. Для их изучения нерв или мышцу подвергают действию двух коротких электрических стимулов, следующих друг за другом с определенным интервалом. Первый называется раздражающим, второй - тестирующим. Регистрация возникающих в ответ на эти раздражения ПД позволила установить важные факты.

Рисунок 5. Изменения возбудимости при возбуждении.

Обозначения: 1- повышение возбудимости по время локального ответа; 2 – абсолютная рефрактерность; 3- относительная рефрактерность; 4- супернормальная возбудимость во время следовой деполяризации; 5 – субнормальная возбудимость во время следовой гиперполяризации.

Во время локального ответа возбудимость повышена, так как мембрана деполяризована и разность между Е0 и Ек падает. Периоду же возникновения и развития пика потенциала действия соответствует полное исчезновение возбудимости, получившее название абсолютной рефрактерности (невпечатлительности). В это время тестирующий стимул не способен вызвать новый ПД, как бы сильно ни было это раздражение. Длительность абсолютной рефрактерности примерно совпадает с длительностью восходящей ветви ПД. В быстро проводящих нервных волокнах она составляет 0,4-0,7 мсек. В волокнах мышцы сердца - 250-300 мсек. Вслед за абсолютной рефрактерностью начинается фаза относительной рефрактерности, которая длится 4-8 мсек. Она совпадает с фазой реполяризации ПД. В это время возбудимость постепенно возвращается к первоначальному уровню. В этот период нервное волокно способно ответить на сильное раздражение, но амплитуда ПД будет резко снижена.

Согласно ионной теории Ходжкина-Хаксли, абсолютная рефрактерность обусловлена вначале наличием максимальной натриевой проницаемости, когда новый стимул не может что-то изменить или добавить, а затем развитием натриевой инактивации, закрывающей Na-каналы. Вслед за этим происходит снижение натриевой инактивации, в результате чего постепенно восстанавливается способность волокна генерировать ПД. Это - состояние относительной рефрактерности.

Относительная рефрактерная фаза сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости , совпадающей по времени с периодом следовой деполяризации. В это время разность между Ео и Ек ниже исходной. В двигательных нервных волокнах теплокровных животных длительность супернормальной фазы составляет 12-30 мсек.

Период повышенной возбудимости сменяется субнормальной фазой, которая совпадает со следовой гиперполяризацией. В это время разница между мембранным потенциалом (Ео) и критическим уровнем деполяризации (Ек) увеличивается. Длительность этой фазы составляет несколько десятков или сотен мсек.

Лабильность. Мы рассмотрели основные механизмы возникновения и распространения в нервных и мышечных волокнах одиночной волны возбуждения. Однако в естественных условиях существования организма по нервным волокнам проходят не одиночные, а ритмические залпы потенциалов действия. В чувствительных нервных окончаниях, расположенных в любых тканях, возникают и распространяются по отходящим от них афферентным нервным волокнам ритмические разряды импульсов даже при очень кратковременном раздражении. Равным образом из ЦНС по эфферентным нервам идет поток импульсов на периферию к исполнительным органам. Если исполнительным органом являются скелетные мышцы, то в них возникают вспышки возбуждений в ритме поступающих по нерву импульсов.

Частота разрядов импульсов в возбудимых тканях может варьировать в широких пределах в зависимости от силы приложенного раздражения, свойств и состояния ткани и от скорости протекания отдельных актов возбуждения в ритмическом ряду. Для характеристики этой скорости и было сформулировано понятие лабильность. Под лабильностью, или функциональной подвижностью он понимал большую или меньшую скорость протекания тех элементарных реакций, которыми сопровождается возбуждение. Мерой лабильности является наибольшее число потенциалов действия, которое возбудимый субстрат способен воспроизвести в единицу времени в соответствии с частотой подаваемого раздражения.

Первоначально предполагали, что минимальный интервал между импульсами в ритмическом ряду должен соответствовать длительности абсолютного рефрактерного периода. Точные исследования, однако, показали, что при частоте следования стимулов с таким интервалом возникают только два импульса, а третий выпадает вследствие развивающейся депрессии. Поэтому интервал между импульсами должен быть несколько больше абсолютного рефрактерного периода. В двигательных нервных клетках теплокровных животных рефрактерный период составляет около 0,4 мсек, и потенциальный максимальный ритм должен бы быть равным 2500/сек, но на самом деле он равен около 1000/сек. Следует подчеркнуть, что эта частота значительно превышает частоту импульсов, проходящих по этим волокнам в физиологических условиях. Последняя составляет около 100/сек.

Дело в том, что обычно в естественных условиях ткань работает с так называемым оптимальным ритмом. Для пропускания импульсов с таким ритмом не требуется большой силы раздражения. Исследования показали, что частота раздражения и реобаза тока, способного вызывать нервные импульсы с такой частотой, находятся в своеобразной зависимости: реобаза вначале падает по мере роста частоты импульсов, затем снова нарастает. Оптимум находится у нервов в пределах от 75 до 150 имп/сек, для мышц - 20-50 имп/сек. Такой ритм, в отличие от других, очень стойко и длительно может воспроизводиться возбудимыми образованиями.

Таким образом, мы можем теперь назвать все основные параметры возбудимости тканей, характеризующие ее свойства: реобаза, полезное время (хронаксия), критический наклон, лабильность. Все они, кроме последнего, находятся с возбудимостью в обратно пропорциональных отношениях.

Понятие о "парабиозе". Лабильность - величина непостоянная. Она может меняться в зависимости от состояния нерва или мышцы, в зависимости от силы и длительности падающих на них раздражений, от степени утомления и т. п. Впервые изменение лабильности нерва при действии на него сначала химическими, а затем и электрическими раздражителями, изучил. Он обнаружил закономерное снижение лабильности альтерированного химическим агентом (аммиаком) участка нерва, назвал это явление "парабиозом" и изучил его закономерности. Парабиоз - это обратимое состояние, которое, однако, при углублении действия вызывающего его агента может перейти в необратимое.

Введенский рассматривал парабиоз как особое состояние стойкого не колеблющегося возбуждения, как бы застывшего в одном участке нервного волокна. Действительно, парабиотический участок заряжен отрицательно. Такое явление Введенский считал прообразом перехода возбуждения в торможение в нервных центрах. По его мнению, парабиоз является результатом перевозбуждения нервной клетки слишком сильным или слишком частым раздражением.

Развитие парабиоза протекает в три стадии: уравнительную, парадоксальную и тормозную. Вначале за счет снижения аккомодации отдельные импульсы тока малой частоту при условии их достаточной силы дают уже не 1 импульс, а 2,3 или даже 4. Одновременно порог возбудимости растет, а максимальный ритм возбуждения прогрессивно снижается. В результате на импульсы как малой, так и большой частоты нерв начинает отвечать одной и той же частотой разрядов, наиболее близкой к оптимальному для этого нерва ритму. Это и есть уравнительная фаза парабиоза. На следующем этапе развития процесса в области пороговых интенсивностей раздражения еще сохраняется воспроизведение ритма, близкого к оптимальному, а на частые импульсы ткань или вообще не отвечает, или отвечает очень редкими волнами возбуждения. Это - парадоксальная фаза.

Затем способность волокна к ритмической волновой деятельности падает, падает и амплитуда ПД, увеличивается его длительность., Любое внешнее воздействие подкрепляет состояние торможения нервного волокна и одновременно затормаживается само. Это - последняя, тормозная фаза парабиоза.

В настоящее время описанный феномен объясняется с позиций мембранной теории нарушением механизма повышения натриевой проницаемости и появлением затяжной натриевой инактивации. В результате этого Na-каналы остаются закрытыми, он накапливается в клетке и наружная поверхность мембраны длительное время сохраняет отрицательный заряд. Это препятствует новому раздражению за счет удлинения рефрактерного периода. При набегании на участок парабиоза часто следующих друг за другом ПД, инактивация натриевой проницаемости, вызванная альтерирующим агентом, суммируется с инактивацией, сопровождающей нервный импульс. В результате возбудимость снижается настолько, что проведение следующего импульса полностью блокируется.

Обмен веществ и энергии при возбуждении. При возникновении и проведении возбуждения в нервных клетках и мышечных волокнах происходит усиление обмена веществ. Это проявляется как в ряде биохимических изменений, происходящих в мембране и протоплазме клеток, так и в усилении их теплопродукции. Установлено, что при возбуждении происходят: усиление распада в клетках богатых энергией соединений - АТФ и креатинфосфата (КФ), усиление процессов распада и синтеза углеводов, белков и липидов, усиление окислительных процессов, приводящих в сочетании с гликолизом к резинтезу АТФ и КФ, синтез и разрушение ацетилхолина и норадреналина, других медиаторов, усиление синтеза РНК и белков. Все эти процессы более всего выражены в период восстановления состояния мембраны после ПД.

В нервах и мышцах каждая волна возбуждения сопровождается выделением двух порций тепла, из которых первая называется начальным, а вторая - запаздывающим теплом. Начальное теплообразование происходит в момент возбуждения и составляет незначительную часть всей теплопродукции (2-10%) при возбуждении. Предполагают, что это тепло связано с теми физико-химическими процессами, которые развиваются в момент генерации ПД. Запаздывающее теплообразование происходит в течение более продолжительного времени, и длится многие минуты. Оно связано с теми химическими процессами, которые происходят в ткани вслед за волной возбуждения, и, по образному выражению Ухтомского, составляют "метаболический хвост кометы возбуждения".

Проведение возбуждения. Классификация нервных волокон.

Как только в какой-либо точке нервного или мышечного волокна возникает ПД и этот участок приобретает отрицательный заряд, между возбужденными и соседними покоящимися участками волокна возникает электрический ток. В данном случае возбужденный участок мембраны действует на соседние участки как катод постоянного тока, вызывая их деполяризацию и генерируя локальный ответ. Если величина локального ответа превысит Ек мембраны, возникает ПД. В результате наружная поверхность мембраны заряжается отрицательно на новом участке. Таким способом волна возбуждения распространяется вдоль всего волокна со скоростью около 0,5-3 м/сек.

Законы проведения возбуждения по нервам.

1. Закон физиологической непрерывности. Перерезка, перевязка, а также любое другое воздействие, нарушающее целость мембраны (физиологическую, а не только анатомическую), создают непроводимость. То же возникает при тепловых и химических воздействиях.

2. Закон двустороннего проведения. При нанесении раздражения на нервное волокно возбуждение распространяется по нему в обеих направлениях (по поверхности мембраны - во все стороны) с одинаковой скоростью. Это доказывается опытом Бабухина и подобными ему.

3. Закон изолированного проведения. В нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т. е. не переходят с одного волокна на другое. Это очень важно, так как обеспечивает точную адресовку импульса. Связано это с тем, что электрическое сопротивление миэлиновых и швановской оболочек, а также межклеточной жидкости значительно больше, чем сопротивление мембраны нервных волокон.

Механизмы и скорость проведения возбуждения в безмякотных и мякотных нервных волокнах различны. В безмякотных возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны от одного возбужденного участка к другому, расположенному рядом, так, как мы уже обсуждали.

В миэлиновых волокнах возбуждение распространяется только скачкообразно, перепрыгивая через участки, покрытые миэлиновой оболочкой (сальтаторно). Потенциалы действия в этих волокнах возникают только в перехватах Ранвье. В состоянии покоя наружная поверхность возбудимой мембраны всех перехватов Ранвье заряжена положительно. В момент возбуждения поверхность первого перехвата становится отрицательно заряженной по отношению к соседнему второму перехвату. Это приводит к возникновению местного (локального) электротока, который идет через окружающую волокно межклеточную жидкость, мембрану и аксоплазму от перехвата 2 к 1. Выходящий через перехват 2 ток возбуждает его, вызывая перезарядку мембраны. Теперь этот участок может возбудить следующий и т. д.

Перепрыгивание ПД через межперехватный участок возможно потому, что амплитуда ПД в 5-6 раз больше порога, необходимого для возбуждения не только следующего, но и 3-5 перехватов. Поэтому микроповреждения волокна в межперехватных участках или не одном перехвате не прекращают работы нервного волокна до тех пор, пока регенеративный явления не захватят 3 и более лежащих рядом швановские клетки.

Время, необходимое для передачи возбуждения от одного перехвата к другому, одинаково у волокон различного диаметра, и составляют 0,07 мсек. Однако поскольку длина межперехватных участков различна и пропорциональна диаметру волокна, в миэлинизированных нервах скорость проведения нервных импульсов прямо пропорциональная их диаметру.

Классификация нервных волокон. Электрический ответ целого нерва является алгебраической суммой ПД отдельных его нервных волокон. Поэтому, с одной стороны, амплитуда электрических импульсов целого нерва зависит от силы раздражителя (с ее ростом вовлекаются все новые волокна), а во-вторых, суммарный потенциал действия нерва может быть расчленен на несколько отдельных колебаний, причиной чего является неодинаковая скорость проведения импульсов по разным волокнам, составляющим целый нерв.

В настоящее время нервные волокна по скорости проведения возбуждения, длительности различных фаз ПД и строении принято разделять на три основных типа.

Волокна типа А делятся на подгруппы (альфа, бета, гамма, дельта). Они покрыты миэлиновой оболочкой. Скорость проведения у них самая большая - 70-120 м/сек. Это - двигательные волокна, от моторных нейронов спинного мозга. Остальные волокна типа А - чувствительные.

Волокна типа В - миэлиновые, преимущественно преганглионарные. Скорость проведения - 3-18 м/сек.

Волокна типа С - безмякотные, очень малого диаметра (2 мк). Скорость проведения не больше 3 м/сек. Это постганглионарные волокна симпатической нервной системы чаще всего.

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Физиология центральной нервной системы (ЦНС) является наиболее сложной, но в то же время и наиболее ответственной главой физиологии, так как у высших млекопитающих и человека нервная система осуществляет функцию связи частей организма между собой, их соотношение и интеграцию, с одной стороны, и функцию связи агентов внешней среды с определенными проявлениями деятельности организма – с другой. Успехи современной науки в расшифровке всей сложности нервной системы основываются на признании единого механизма ее функционирования – рефлекса.

Рефлексы – это все акты организма, которые наступают в ответ на раздражение рецепторов и осуществляются при участии ЦНС. Впервые представление о рефлексе было сформулировано Декартом, развито Сеченовым, Павловым, Анохиным. Каждый рефлекс осуществляется благодаря деятельности определенных структурных образований нервной системы. Однако, прежде чем разбирать особенности строения рефлекторной дуги, мы должны познакомиться со строением и свойствами функциональной единицы нервной системы – нервной клеткой, нейроном.

Строение и функции нейрона. Еще в прошлом веке Рамон-и-Кахал обнаружил, что любая нервная клетка имеет тело (сому), и отростки, которые по особенностям строения и функции разделяются на дендриты и аксон. Аксон у нейрона всегда только один, а дендритов может быть очень много. В 1907 г. Шеррингтон описал способы взаимодействия нейронов между собой и ввел понятие синапса. После того, как Рамон-и-Кахал показал, что дендриты воспринимают раздражение, а аксон посылает импульсы, сформировалось представление о том, что основной функцией нейрона является восприятие. переработка и посылка информации на другую нервную клетку или на рабочий орган (мышцу, железу).

Структура и размеры нейронов сильно варьируют. Диаметр их может колебаться от 4 микрон (клетки-зерна мозжечка) до 130 микрон (гигантские пирамидные клетки Беца). Форма нейронов также разнообразна.

Нервные клетки имеют очень большие ядра, связанные функционально и структурно с мембраной клетки. Некоторые нейроны – многоядерны, например, нейросекреторные клетки гипоталамуса или при регенерации нейронов. В раннем постнатальном периоде нейроны могут делиться.

В цитоплазме нейрона обнаруживают т. н. вещество Ниссля – это гранулы эндоплазматического ретикулюма, богатые рибосомами. Его много вокруг ядра. Под мембраной клетки эндоплазматический ретикулюм образует цистерны, ответственные за поддержание концентрации К+ под мембраной. Рибосомы – это колоссальные фабрики белка. Весь белок нервной клетки обновляется за 3 дня, а при повышении функции нейрона – еще быстрее. Агранулярный ретикулюм представлен аппаратом Гольджи, который как бы окружает всю нервную клетку изнутри. На нем имеются лизосомы, содержащие различные ферменты, пузырьки с гранулами медиатора. Аппарат Гольджи принимает активное участие в формировании пузырьков с медиатором.

И в теле клетки, и в отростках много митохондрий, энергетических станций клетки. Это подвижные органеллы, способные за счет актомиозина передвигаться туда, где в клетке необходима энергия для ее деятельности.

При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na + (по сравнению с К +), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (E Na)- Е Nа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na + 150 и 10 мМ соответственно он составит:

Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m » в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h » в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na + используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».

Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.

Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.

Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na + -канала (h), так и медленного Ca 2+ /Na + -канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na + -канала открываются и входящий поток ионовNa + деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимостьNa + . При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca 2+ и Na + поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca 2+ /Na + -каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий потокNa + слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.

Рис. 3.4. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки.

Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .

Быстрая деполяризация в начале потенциала действия вызывается мощным входящим потоком ионов натрия, поступающих внутрь клетки (соответственно градиенту их электрохимического потенциала) через открытые натриевые каналы . Однако прежде всего натриевые каналы должны быть эффективно открыты, для чего требуется быстрая деполяризация достаточно большой площади мембраны до необходимого уровня, называемого пороговым потенциалом (рис. 3.4). В эксперименте этого можно достичь, пропуская через мембрану ток из внешнего источника и используя внеклеточный или внутриклеточный стимулирующий электрод. В естественных условиях той же цели служат локальные токи, протекающие через мембрану непосредственно перед распространяющимся потенциалом действия. При пороговом потенциале достаточное количество натриевых каналов оказывается открытым, что обеспечивает необходимую амплитуду входящего натриевого тока и, следовательно, дальнейшую деполяризацию мембраны; в свою очередь деполяризация вызывает открытие большего числа каналов, приводя к увеличению входящего потока ионов, так что процесс деполяризации становится регенеративным. Скорость регенеративной деполяризации (или нарастания потенциала действия) зависит от силы входящего натриевого тока, которая в свою очередь определяется такими факторами, как величина градиента электрохимического потенциала Na + и количество доступных (или неинактивированных) натриевых каналов. В волокнах Пуркинье максимальная скорость деполяризации при развитии потенциала действия, обозначаемая как dV/dt max или V max , достигает примерно 500 В/с, и если бы такая скорость поддерживалась в течение всей фазы деполяризации от -90 мВ до +30 мВ, то изменение потенциала на 120 мВ заняло бы около 0,25 мс. Максимальная скорость деполяризации волокон рабочего миокарда желудочков составляет примерно 200 В/с, а мышечных волокон предсердий-от 100 до 200 В/с . (Фаза деполяризации потенциала действия в клетках синусового и атриовентрикулярного узлов существенно отличается от только что описанной и будет обсуждаться отдельно; см. ниже.)

Потенциалы действия с такой высокой скоростью нарастания (их часто называют «быстрыми ответами») быстро распространяются по сердцу. Скорость распространения потенциала действия (как и V max) в клетках с одинаковой пропускной способностью мембраны и характеристиками осевого сопротивления определяется главным образом амплитудой направленного внутрь тока, протекающего во время фазы нарастания потенциала действия. Это связано с тем, что локальные токи, проходящие через клетки непосредственно перед потенциалом действия, имеют большую величину при более быстром нарастании потенциала, поэтому мембранный потенциал в этих клетках раньше достигает порогового уровня, чем в случае токов меньшей величины (см. рис. 3.4). Конечно, эти локальные токи протекают через клеточную мембрану и сразу после прохождения распространяющегося потенциала действия, но они уже неспособны возбудить мембрану ввиду ее рефрактерности.

Рис. 3.5. Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации.

Амплитуда и возрастание скорости ответов, вызванных во время реполяризации, зависят от уровня мембранного потенциала, на котором они возникают. Самые ранние ответы (а и б) возникают на столь низком уровне, что оказываются слишком слабыми и неспособными к распространению (градуальные или местные ответы). Ответ «в» представляет собой наиболее ранний из распространяющихся потенциалов действия, но его распространение происходит медленно ввиду незначительного возрастания скорости, а также низкой амплитуды. Ответ «г» появляется точно перед полной реполяризацией, скорость его усиления и амплитуда выше, чем при ответе «в», так как он возникает при более высоком мембранном потенциале; однако скорость его распространения становится ниже нормальной. Ответ «д» отмечается после полной реполяризации, поэтому его амплитуда и скорость деполяризации имеют нормальные значения; следовательно, он быстро распространяется. ПП - потенциал покоя.

Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.

В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са 2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na + , поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na + не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са 2+ увеличивается при повышении концентрации [Са 2+ ] 0 ; снижение [Са 2+ ] 0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са 2+ ] 0 .

Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na + снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са 2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са 2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.

Биологическая мембрана, Толщина мембран 7-10 нм, состоит из двойного слоя фосфолипидов: гидрофильные части (головки) направлены к поверхности мембраны; гидрофобные части (хвосты) направлены внутрь мембраны. Гидрофобные концы стабилизируют мембрану в виде бислоя

ФУНКЦИИ МЕМБРАН СТРУКТУРНАЯСТРУКТУРНАЯ. ЗАЩИТНАЯ.ЗАЩИТНАЯ. ФЕРМЕНТАТИВНАЯФЕРМЕНТАТИВНАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ИЛИ АДГЕЗИВНАЯ (обуславливает существование многоклеточных организмов). РЕЦЕПТОРНАЯРЕЦЕПТОРНАЯ. АНТИГЕННАЯАНТИГЕННАЯ. ЭЛЕКТРОГЕННАЯЭЛЕКТРОГЕННАЯ ТРАНСПОРТНАЯТРАНСПОРТНАЯ.

СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд молекула мембраны (канал или рецептор) молекула мембраны (канал или рецептор) КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки

РЕЦЕПТОРЫ МЕМБРАН Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Лиганды – внешние раздражители для клетки Лиганды – внешние раздражители для клетки Рецепторы – высокоспецифичны или селективны Рецепторы – высокоспецифичны или селективны

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ РЕЦЕПТОРОВ Мембранные рецепторы регистрируют наличие лиганда: передают сигнал внутриклеточным химическим соединениям вторым посредникам – МЕССЕНДЖЕРАМ 2. 2.Регулируют состояние ионных каналов

СВОЙСТВА ИОННЫХ КАНАЛОВ 1.Селективность - 1.Селективность - каждый канал пропускает только определенный («свой») ион Может находится в разных функциональных состояниях: закрытый, но готовый к открытию (1) открытый – активированный (2) Инактивированный (3)

Гиперполяризация Увеличение разности ПД между сторонами мембраны Увеличение разности ПД между сторонами мембраныДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраны Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраныРЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Увеличение величины МП после деполяризации.

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ Это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны возбудимой клетки, находящейся в состоянии покоя. Потенциал покоя регистрируется внутриклеточным микроэлектродом по отношению к референтному внеклеточному электроду.

Градиент Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения. Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения.

ФАКТОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ МП 1. ИОННАЯ АСИМЕТРИЯ Концентрационный градиент калия Концентрационный градиент калия Концентрационный градиент натрия Концентрационный градиент натрия = p = 8-10p

2.Полупроницаемость мембраны K + Na + Cl - Белок

«Электрический градиент» Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. В результате величина градиентов выравнивается В результате величина градиентов выравнивается

«Электрический градиент» Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. В результате наступает выравнивание двух градиентов В результате наступает выравнивание двух градиентов

Равновесный потенциал равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ) Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ)

Состояние покоя для клетки Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Калий выходит из клетки Калий выходит из клетки

Механизмы поддержания ионной асимметрии Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента

ФУНКЦИИ КАЛИЙ- НАТРИЕВОГО НАСОСА Активный транспорт ионов Активный транспорт ионов АТФ-азная ферментативная активность АТФ-азная ферментативная активность Поддержание ионной асимметрии Поддержание ионной асимметрии Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект

Деполяризация Возникает при открытии натриевых каналов Возникает при открытии натриевых каналов Натрий входит в клетку: Натрий входит в клетку: уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия

КРИТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИИ Е кр Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Начинается регенеративная деполяризация Начинается регенеративная деполяризация

Порог деполяризации Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0) и критическим уровнем деполяризации (Е кр) Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0) и критическим уровнем деполяризации (Е кр) Δ V= Е 0 - Е кр Δ V= Е 0 - Е кр При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов

Закон «все или ничего» Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя. Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя.

ЛО Свойства ЛО 1. Не подчиняется закону «все или ничего» Амплитуда ЛО зависит от силы стимула Распространяется по мембране затуханием (декрементом) Может суммироваться (в результате амплитуда деполяризации увеличивается) Трансформируется в потенциал действия при достижении уровня критической деполяризации

Потенциал действия (ПД) Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с). (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с).

Е0Е0 Е кр мВ

Условия возникновения ПД Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Должна развиться регенеративная деполяризация Должна развиться регенеративная деполяризация

Е0Е0 Е кр 0 +30

Раздражение Это процесс воздействия на клетку Это процесс воздействия на клетку Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки

ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ Это комплекс правил, описывающих требования, которым должен подчиняться раздражитель, чтобы он мог вызвать процесс возбуждения. К ним относятся: полярный закон закон силы закон времени (длительности действия) закон крутизны (времени нарастания силы)

69 Законы раздражения Закон силы Закон силы – чтобы возник ПД, сила стимула должна быть не меньше пороговой величины. Закон времени Закон времени – чтобы возник ПД, время дейстия стимула должно быть не меньше пороговой величины Закон крутизны Закон крутизны – чтобы возник ПД, крутизна стимула должна быть не меньше пороговой величины

Зависимость силы от времени действия Р – реобаза – это минимальная сила тока, вызывающая возбуждение ПВ – полезное время – ми- нимальное время действия раздражающего импульса силой в одну реобазу, необходимое для возбуждения. Хр – хронаския - минимальное время действия раздражающего импульса силой в 2 реобазы необходимое для возикновенния ПД.

Аккомодация Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации Аккомодация проявляется в увеличении пороговой силы стимула при уменьшении крутизны нарастании стимула – чем меньше крутизна, тем больше пороговая сила В основе аккомодации ткани лежит процесс инактивации натриевых каналов. Поэтому чем меньше крутизна нарас- тания стимула – тем больше инактивируется натриевых каналов – происходит смещение уровня критической деполяризации и возрастает пороговая сила стимула. Если крутизна нарастания стимула будет меньше порого- вой величины, то ПД не возникает и будет наблюдаться только локальный ответ.

ЭЛЕКТРОТОН ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ Изменения возбудимости мембраны при длительном воздействии на нее постоянного тока подпороговой силы. катэлектротон -При этом под катодом развивается катэлектротон - увеличение возбудимости. анэлектротонпод анодом – анэлектротон - снижение возбудимости.

Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V. V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V." title="Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V."> title="Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V.">

Катодическая депрессия по Вериго Если потоянный ток действует на мембрану длительное время, то повышенная возбуди- мость под катодом изменяется на снижение возбудимости. В основе этого явления лежит явление аккомодации ткани, т.к. постоянный ток можно представить как ток с бесконечно малой крутизной нарастания.

Электрический импульс, распространяющийся по сердцу и запускающий каждый цикл сокращений, называется потенциалом действия; он представляет собой волну кратковременной деполяризации, во время которой внутриклеточный потенциал поочередно в каждой клетке становится на короткое время положительным, а затем возвращается к своему исходному отрицательному уровню. Изменения нормального сердечного потенциала действия имеют характерное развитие во времени, которое для удобства подразделено на следующие фазы : фаза 0 - начальная быстрая деполяризация мембраны; фаза 1 - быстрая, но неполная реполяризация; фаза 2 - «плато», или продолжительная деполяризация, характерная для потенциала действия сердечных клеток; фаза 3 - конечная быстрая реполяризация; фаза 4 - период диастолы.
При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na+ (по сравнению с К+), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (ENa)- ЕNа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na+ 150 и 10 мМ соответственно он составит:

Однако повышенная проницаемость для Na+ сохраняется лишь непродолжительное время, так что мембранный потенциал не достигает ENa и после окончания потенциала действия возвращается к уровню покоя.
Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m » в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h » в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na+ используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».
Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.

Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.
Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na+-канала (h), так и медленного Ca2+/Na+-канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na+-канала открываются и входящий поток ионов Na+ деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимость Na+. При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca2+ и Na+ поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca2+/Na+-каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий поток Na+ слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.

Рис. 3.4.
Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .

Продолжительный рефрактерный период после возбуждения сердечных клеток обусловлен большой длительностью потенциала действия и вольтажной зависимостью механизма ворот натриевых каналов. За фазой нарастания потенциала действия следует период продолжительностью от сотни до нескольких сотен миллисекунд, в течение которого регенеративный ответ на повторный стимул отсутствует (рис. 3.5). Это так называемый абсолютный, или эффективный, рефрактерный период; обычно он охватывает плато (фаза 2) потенциала действия. Как описано выше, натриевые каналы инактивируются и остаются закрытыми во время такой поддерживающейся деполяризации. В ходе реполяризации потенциала действия (фаза 3) инактивация постепенно устраняется, так что доля каналов, способных снова активироваться, постоянно возрастает. Следовательно, с помощью стимула в начале реполяризации можно вызвать лишь небольшой входящий поток ионов натрия, однако по мере продолжения реполяризации потенциала действия такие потоки будут увеличиваться. Если некоторые из натриевых каналов остаются невозбудимыми, то вызванный входящий поток Na+ может привести к регенеративной деполяризации и, следовательно, к возникновению потенциала действия. Однако скорость деполяризации, а значит, и скорость распространения потенциалов действия значительно снижены (см. рис. 3.5) и нормализуются только после полной реполяризации . Время, в течение которого повторный стимул способен вызвать такие «градуальные» потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом. Вольтажная зависимость устранения инактивации изучалась Weidmann, установившим, что скорость повышения потенциала действия и возможный уровень, при котором этот потенциал вызывается, находятся в S-образной зависимости, известной также как кривая реактивности мембраны.
Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.
В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na+, поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na+ не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са2+ увеличивается при повышении концентрации [Са2+]0; снижение [Са2+]0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са2+]0 .
Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na+ снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.

Разделы