Електрична гетерогенність серця. Скоротність міокарда

Головна

Системи безпеки

У тих випадках, коли має місце поділ зарядів та позитивні заряди розташовані в одному місці, а негативні в іншому, фізики говорять про поляризацію заряду. Фізики використовують термін за аналогією з різноіменними магнітними силами, які скупчуються на протилежних кінцях, або полюсах (назва дана тому, що намагнічена смужка, що вільно рухається, вказує своїми кінцями в сторони географічних полюсів) смугового магніту.

В обговорюваному випадку ми маємо концентрацію позитивних зарядів на одному боці мембрани та концентрацію негативних зарядівз іншого боку мембрани, тобто ми можемо говорити про поляризовану мембрану.

Однак у будь-якому випадку, коли має місце розподіл зарядів, негайно виникає і електричний потенціал. Потенціал є мірою сили, яка прагне зблизити розділені заряди та ліквідувати поляризацію. Електричний потенціал тому називають також електрорушійною силою, що скорочено позначається ЕРС.

Електричний потенціал називається потенціалом саме тому, що він насправді не приводить у рух заряди, оскільки існує протидіюча сила, що утримує протилежні електричні заряди від зближення. Ця сила існуватиме доти, доки витрачається енергія на її підтримку (що відбувається в клітинах). Таким чином, сила, що прагне зблизити заряди, має лише можливість, або потенцію, зробити це, і таке зближення відбувається тільки в тому випадку, коли енергія, що витрачається на поділ зарядів, слабшає. Електричний потенціал вимірюють в одиницях, названих вольтами, на честь Вольта, людини, яка створила першу у світі електричну батарею.

Фізики зуміли виміряти електричний потенціал, що існує між двома сторонами клітинної мембрани. Він виявився рівним 0,07 вольт. Можна сказати також, що цей потенціал дорівнює 70 мілівольтам, тому що мілівольт дорівнює одній тисячній вольті. Звичайно, це дуже маленький потенціалв порівнянні зі 120 вольтами (120 000 мілівольт) напруги в мережі змінного струмуабо в порівнянні з тисячами вольт напруги в лініях електропередач. Але це все ж таки дивовижний потенціал, враховуючи матеріали, які має у своєму розпорядженні клітина для побудови електричних систем.

Будь-яка причина, що перериває діяльність натрієвого насоса, призведе до різкого вирівнювання концентрацій іонів натрію та калію з обох боків мембрани. Це, своєю чергою, автоматично призведе до вирівнювання зарядів. Таким чином, мембрана стане деполяризованою. Звичайно, це відбувається при пошкодженні чи загибелі клітини. Але існують, щоправда, три види стимулів, які можуть спричинити деполяризацію, не завдаючи клітині жодної шкоди (якщо, звичайно, ці стимули не надто сильні). До таких лам відносяться механічні, хімічні та електричні.

Тиск – це приклад механічного стимулу. Тиск на ділянку мембрани призводить до розширення і (по поки не попятним причин) викликає в цьому місці деполяризацію. Висока температурапризводить до розширення мембрани, холод скорочує її, і ці механічні зміни теж спричиняють деполяризацію.

До такого ж результату приводить вплив на мембрану деяких хімічних сполук та вплив на неї слабких електричних струмів.

(В останньому випадку причина деполяризації є найбільш очевидною. Зрештою, чому електричний феномен поляризації не можна змінити за допомогою доданого ззовні електричного потенціалу?)

Деполяризація, що відбулася в одному місці мембрани, служить стимулом для поширення деполяризації по мембрані. Іон натрію, що хлинув у клітину в місці, де відбулася деполяризація, припинилася дія натрієвого насоса, що витісняє назовні іон калію. Іони натрію менше розмірамиі рухливіші, ніж іони калію. Тому в клітину входить більше іонів натрію, ніж виходить із неї іонів калію. В результаті крива деполяризації перетинає нульову позначку та піднімається вище. Клітина знову виявляється поляризованою, але із зворотним знаком. На якийсь момент кліш набуває внутрішнього позитивного заряду, завдяки присутності в ній надлишку іонів натрію. на зовнішній сторонімембрани утворюється невеликий негативний заряд.

Протилежно спрямована поляризація може бути електричним стимулом, який паралізує роботу натрієвого насоса в ділянках, що примикають до місця початкового стимулу. Ці ділянки поляризуються, потім відбувається поляризація зі зворотним знаком і виникає деполяризація в більш віддалених ділянках. Таким чином, хвиля деполяризації прокочується по всій мембрані. У початковій ділянці поляризація зі зворотним знаком не може тривати довго. Іони калію продовжують виходити з клітини, поступово їхній потік зрівнюється з потоком вхідних іонів натрію. Позитивний заряд усередині клітини зникає. Це зникнення зворотного потенціалу певною мірою реактивує натрієвий насос у цьому місці мембрани. Іони натрію починають виходити з клітини, і до неї починають проникати іони калію. Ця ділянка мембрани вступає у фазу реполяризації. Так як ці події відбуваються у всіх ділянках деполяризації мембрани, то за хвилею деполяризації по мембрані прокочується хвиля реполяризації.

Між моментами деполяризації та повної ре-поляризації мембрани не відповідають на звичайні стимули. Цей період називається рефракторним періодом. Він триває дуже короткий час на малу частку секунди. Хвиля деполяризації, що пройшла через певну ділянку мембрани, робить цю ділянку несприйнятливою до збудження. Попередній стимул стає в якомусь сенсі поодиноким та ізольованим. Як саме дрібні зміни зарядів, що беруть участь у деполяризації, реалізують таку відповідь, невідомо, але факт залишається фактом – відповідь мембрани на стимул ізольована та поодинока. Якщо м'яз стимулювати одному місці невеликим електричним розрядом, то м'яз скоротиться. Але скоротиться не тільки та ділянка, до якої було прикладено електричне роздратування; скоротиться все м'язове волокно. Хвиля деполяризації проходить по м'язовому волокну зі швидкістю від 0,5 до 3 метрів на секунду, залежно від довжини волокна, і цієї швидкості достатньо, щоб склалося враження, що м'яз скорочується, як одне ціле.

Цей феномен поляризації-деполяризації-реполяризації притаманний усім клітинам, але в деяких він більш виражений. У процесі еволюції з'явилися клітини, які отримали вигоди з цього явища. Ця спеціалізація може піти у двох напрямках. По-перше, і це відбувається дуже рідко, можуть розвинутися органи, здатні створювати високі електричні потенціали. При стимуляції деполяризація реалізується не м'язовим скороченням чи іншим фізіологічним відповіддю, а виникненням електричного струму. Це не марна трата енергії. Якщо стимул - це напад ворога, то електричний розряд може поранити чи вбити його.

Існує сім видів риб (деякі їх костисті, деякі ставляться до загону хрящових, будучи родичами акул), спеціалізованих у цьому напрямі. Наймальовничіший представник – це риба, яку в народі називають «електричним вугром», а в науці дуже символічним ім'ям – Electrophorus electricus. Електричний вугор - мешканець прісних вод і зустрічається в північній частині Південної Америки- в Оріноко, Амазонці та її притоках. Строго кажучи, ця риба не родичка вугрів, її назвали так за довгий хвіст, який складає чотири п'яті тіла цієї тварини, довжина якої становить від 6 до 9 футів. Усі звичайні органи цієї риби уміщаються в передній частині тулуба завдовжки близько 15 – 16 дюймів.

Більше половини довгого хвоста зайняті послідовністю блоків модифікованих м'язів, які утворюють «електричний орган». Кожен із цих м'язів виробляє потенціал, який не перевищує потенціал звичайного м'яза. Але тисячі та тисячі елементів цієї «батареї» поєднані таким чином, що їхні потенціали складаються. Електричний вугор, що відпочив, здатний накопичити потенціал порядку 600 - 700 вольт і розряджати його зі швидкістю 300 разів на секунду. При стомленні цей показник знижується до 50 разів на секунду, але такий темп вугор може витримати протягом тривалого часу. Електричний удардосить сильний для того, щоб убити дрібну тварину, якими харчується ця риба, або щоб завдати чутливої поразки тварині більшої, яка помилково раптом вирішить з'їсти електричного вугра.

Електричний орган – це чудова зброя. Можливо, до такого електрошоку із задоволенням вдалися б інші тварини, але ця батарея займає занадто багато місця. Уявіть собі, як мало тварин мали б міцні ікла та пазурі, якби вони займали половину маси їхнього тіла.

Другий тип спеціалізації, що передбачає використання електричних явищ, що протікають на клітинної мембрани, полягає не у посиленні потенціалу, а у збільшенні швидкості поширення хвилі деполяризації. Виникають клітини з подовженими відростками, які є майже виключно мембранними утвореннями. Головна функціяцих клітин – дуже швидка передача стимулу від однієї частини тіла до іншої. Саме з таких клітин складаються нерви - ті нерви, з розгляду яких почалася ця глава.

Зміна МП виникають не тільки безпосередньо в точках докладання до нервового волокна катода і анода, але і на деякій відстані від них, але величина цих зрушень зменшується в міру віддалення електродів. Зміни МП під електродами звуться електротонічних (відповідно кат-електротон і ан-электротон), а й за електродами - периэлектротонических (кат- і ан - периэлектротон).

Збільшення МП під анодом (пасивна гіперполяризація) не супроводжується зміною іонної проникності мембрани навіть за великої сили прикладеного струму. Тому при замиканні постійного струму збудження під анодом немає. На відміну від цього, зменшення МП під катодом (пасивна деполяризація) спричиняє короткочасне підвищення проникності для Na, що призводить до збудження.

Підвищення проникності мембрани для Na при пороговому подразненні відразу досягає максимальної величини. У перший момент деполяризація мембрани під катодом призводить до невеликого збільшення натрієвої проникності та відкриття невеликого числа каналів. Коли ж під впливом цього в протоплазму починають надходити позитивно заряджені іони Na+, то деполяризація мембрани посилюється. Це веде до відкриття інших Na-каналів, і, отже, до подальшої деполяризації, що, своєю чергою, зумовлює ще більше підвищення натрієвої проникності. Цей круговий процес, заснований на т.з. позитивною зворотнього зв'язку, отримав назву регенеративної деполяризації Виникає вона лише за зниження Ео до критичного рівня (Ек). Причина підвищення натрієвої проникності при деполяризації пов'язана, ймовірно, з видаленням Са++ з натрієвих воріт при виникненні електронегативності (або зниження електропозитивності) на зовнішній стороні мембрани.

Підвищена натрієва проникність через десяті частки мілісекунди за рахунок механізмів натрієвої інактивації припиняється.

Швидкість, з якою відбувається деполяризація мембрани, залежить від сили подразнюючого струму. При слабкій силі деполяризація розвивається повільно, і тому виникнення ПД такий стимул повинен мати велику тривалість.

Локальна відповідь, яка виникає при під порогових стимулах, так само, як і ПД, зумовлена підвищенням натрієвої проникності мембрани. Однак при пороговому стимулі це підвищення недостатньо велике для того, щоб викликати процес регенеративної деполяризації мембрани. Тому деполяризація, що почалася, припиняється інактивацією і підвищенням калієвої проникності.

Підсумовуючи викладене вище, можна наступним чиномзобразити ланцюг подій, що розвиваються в нервовому або м'язовому волокніпід катодом подразнюючого струму: пасивна деполяризація мембрани ---- підвищеннянатрієвої проникності --- посиленняпотоку Na всередину волокна --- активнадеполяризація мембрани -- локальна відповідь --- перевищення Ек --- регенеративна деполяризація --- потенціал дії (ПД).

Який механізм виникнення збудження під анодом при розмиканні? У момент включення струму під анодом мембранний потенціал зростає – відбувається гіперполяризація. При цьому різниця між Ео та Ек зростає, і для того, щоб зрушити МП до критичного рівня, потрібна велика сила. При вимиканні струму (розмикання) вихідний рівень ЕО відновлюється. Здавалося б, у цей час немає умов виникнення порушення. Але це справедливо лише у тому випадку, якщо дія струму тривало дуже короткий час (менше 100 мсек.). При тривалому впливі струму починає змінюватися сам критичний рівень деполяризації - він зростає. І, нарешті, з'являється момент, коли новий Ек стає рівним старому рівню Ео. Тепер при виключенні струму виникають умови для збудження, оскільки мембранний потенціал стає рівним новому критичному рівню деполяризації. Величина ПД при розмиканні завжди більша, ніж при замиканні.

Залежність порогової сили стимулу з його тривалості. Як зазначалося, порогова сила будь-якого стимулу певних межах перебуває у зворотній залежності від його тривалості. В особливо чіткій формі ця залежність проявляється при використанні як подразник прямокутних поштовхів постійного струму. Отримана в таких дослідах крива отримала назву "кривої сили-часу". Вона була вивчена Гоорвегом, Вейсом та Лапіком на початку століття. З розгляду цієї кривої перш за все слідує, що струм нижче деякої мінімальної величини або напруги не викликає збудження, як би він довго не діяв. Мінімальна сила струму, здатна викликати збудження, названа Лапиком реобазою. Найменший час, протягом якого має діяти подразнюючий стимул, називають корисним часом. Посилення струму призводить до скорочення мінімального часу подразнення, але не безмежно. При дуже коротких стимулах крива сили-часу стає паралельною осі координат. Це означає, що при таких короткочасних подразненнях збудження не виникає, хоч би якою була велика сила роздратування.

Визначення корисного часу практично утруднено, оскільки точка корисного часу знаходиться на ділянці кривої, що переходить у паралельну. Тому Лапік запропонував використати корисний часдвох реобаз – хронаксію. Її точка знаходиться на крутій ділянці кривої Гоорвега-Вейса. Хронаксиметрія набула широкого поширення як в експерименті, так і в клініці для діагностики ушкоджень волокон рухових нервів.

Вище вже вказувалося, що деполяризація мембрани призводить до початку двох процесів: одного - швидкого, що веде до підвищення натрієвої проникності та виникнення ПД, а іншого - повільного, що призводить до інактивації натрієвої проникності та закінчення порушення. При крутому наростанні стимулу Na-активація встигає досягти значної величини, перш ніж розвивається Na-інактивація. У разі повільного наростання сили струму на перший план виступають процеси інактивації, що призводять до підвищення порога та зниження амплітуди ПД. Усі агенти, що підсилюють або прискорюють інактивацію, збільшують швидкість акомодації.

Акомодація розвивається не тільки при подразненні збудливих тканин електричним струмом, а й у разі застосування механічних, термічних та інших стимулів. Так, швидкий удар паличкою по нерву викликає його збудження, при повільному натисканні на нерв тієї ж паличкою збудження не виникає. Ізольоване нервове волокно можна порушити швидким охолодженням, а повільним – не можна. Жаба вистрибне, якщо її кинути у воду з температурою 40 градусів, але якщо ту ж жабу помістити в холодну воду, і повільно нагрівати її, то тварина звариться, але не реагуватиме стрибком на підйом температури.

У лабораторії показником швидкості акомодації є та найменша крутість наростання струму, коли він стимул ще зберігає здатність викликати ПД. Цю мінімальну крутість називають критичним нахилом. Його виражають або в абсолютних одиницях (мА/сек), або в відносних (як відношення порогової сили того поступово наростаючого струму, який здатний викликати збудження, до реобази прямокутного поштовху струму).

Малюнок 4. Крива сили-часу Гоорвега-Вейса. Позначення: Х – хронаксія, ПВ – корисний час, Р – реобаза, 2р – сила у дві реобази

Закон "все чи нічого".При вивченні залежності ефектів подразнення від сили прикладеного стимулу було встановлено т.зв. закон "все чи нічого".

Відповідно до цього закону, під порогові подразнення не викликають збудження ("нічого"), при порогових стимулах збудження відразу набуває максимальну величину ("все"), і вже не зростає при подальшому посиленні подразника.

Ця закономірність спочатку була відкрита Боудичем щодо серця, а надалі підтверджена і інших збудливих тканинах. Довгий часзакон "все чи нічого" неправильно інтерпретувався як загальний принципреагування збудливих тканин Припускали, що "нічого" означає повну відсутність відповіді на пороговий стимул, а "все" розглядалося як прояв повного вичерпання збудливим субстратом його потенційних можливостей. Подальші дослідження, особливо микроэлектродные, показали, що це думка відповідає дійсності. З'ясувалося, що при під порогових силах виникає місцеве збудження, що не поширюється (локальна відповідь). Водночас виявилося, що "все" також не характеризує того максимуму, якого може досягти ПД. У живій клітині існують процеси, які активно призупиняють деполяризацію мембрани. Якщо будь-яким впливом на нервове волокно, наприклад, наркотиками, отрутами, послабити вхідний Na-струм, що забезпечує генерацію ПД, він перестає підкорятися правилу " все чи нічого " - його амплітуда починає градуально залежати від сили стимулу. Тому "все чи нічого" розглядається зараз не як загальний закон реагування збудливого субстрату на подразник, а лише як правило, що характеризує особливості виникнення ПД у цих конкретних умовах.

Концепція збудливості. Зміни збудливості під час збудження. Параметри збудливості.

Збудливістю називається здатність нервової чи м'язової клітини відповідати на подразнення генерацією ПД. Основним мірилом збудливості зазвичай є реобаза. Чим вона нижча, тим вища збудливість, і навпаки. Пов'язано це з тим, що, як ми вже говорили раніше, основною умовою виникнення збудження є досягнення МП критичного рівня деполяризації (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.

Ще Пфлюгер показав, що збудливість – величина непостійна. Катод підвищує збудливість, анод її знижує. Нагадаємо, що ці зміни збудливості під електродами звуться електротонічних. Російський вчений Вериго показав, що при тривалій дії постійного струму на тканину, або при дії сильних подразників ці електротонічні зміни збудливості перекручуються - під катодом початкове підвищення збудливості змінюється її пониженням (розвивається т. зв. катодична депресія), а під анодом знижена збудливість . Причина цих змін збудливості на полюсах постійного струму пов'язана з тим, що величина Ек змінюється при дії подразника. Під катодом (і при збудженні) Ек поступово віддаляється від МП, знижується, так що настає момент, коли різниця Е0-Ек стає більше вихідною. Це призводить до падіння збудливості тканини. Навпаки, під анодом Ек має тенденцію до зростання, поступово наближаючись до Ео. Збудливість у своїй зростає, оскільки зменшується вихідна відмінність між Ео і Ек.

Причиною зміни критичного рівня деполяризації під катодом є інактивація натрієвої проникності, яка зумовлена тривалою деполяризацією мембрани. Разом з цим значно підвищується проникність для К. Все це призводить до того, що мембрана клітини втрачає здатність відповідати на дію дратівливих стимулів. Такі зміни мембрани лежать і в основі розглянутого вже явища акомодації. Під анодом при дії струму явища інактивації знижуються.

Зміни збудливості під час збудження.Виникнення нервовому чи м'язовому волокні ПД супроводжується багатофазними змінами збудливості. Для вивчення нерв чи м'яз піддають дії двох коротких електричних стимулів, наступних друг за одним з певним інтервалом. Перший називається дратівливим, другий – тестуючим. Реєстрація тих, що виникають у відповідь на ці роздратування, дозволила встановити важливі факти.

Малюнок 5. Зміни збудливості під час збудження.

Позначення: 1 підвищення збудливості під час локальної відповіді; 2 – абсолютна рефрактерність; 3 відносна рефрактерність; 4 - супернормальна збудливість під час слідової деполяризації; 5 – субнормальна збудливість під час слідової гіперполяризації.

Під час локальної відповіді збудливість підвищена, оскільки мембрана деполяризована і різниця між Е0 та Ек падає. Періоду виникнення та розвитку піку потенціалу дії відповідає повне зникнення збудливості, що отримало назву абсолютної рефрактерності (невразливості). У цей час тестуючий стимул не здатний викликати новий ПД, хоч би як сильно це роздратування. Тривалість абсолютної рефрактерності приблизно збігається з тривалістю висхідної гілки ПД. У нервових волокнах, що швидко проводять, вона становить 0,4-0,7 мсек. У волокнах м'язи серця – 250-300 мсек. Після абсолютної рефрактерністю починається фаза відносної рефрактерності, яка триває 4-8 мсек. Вона збігається з фазою реполяризації ПД. У цей час збудливість поступово повертається до початкового рівня. У цей період нервове волокно здатне відповісти на сильне подразнення, але амплітуда ПД різко знижується.

Згідно з іонною теорією Ходжкіна-Хакслі, абсолютна рефрактерність обумовлена спочатку наявністю максимальної натрієвої проникності, коли новий стимул не може щось змінити або додати, а потім розвитком натрієвої інактивації, що закриває Na-канали. Після цього відбувається зниження натрієвої інактивації, у результаті поступово відновлюється здатність волокна генерувати ПД. Це стан відносної рефрактерності.

Відносна рефрактерна фаза змінюється фазою підвищеної (супернормальної) збудливості і, що збігається за часом з періодом слідової деполяризації У цей час різниця між Ео і Ек нижчою за вихідну. У рухових нервових волокнах теплокровних тварин тривалість супернормальної фази становить 12-30 мсек.

Період підвищеної збудливості змінюється субнормальною фазою, яка збігається зі слідовою гіперполяризацією. У цей час різниця між мембранним потенціалом (Ео) та критичним рівнем деполяризації (Ек) збільшується. Тривалість цієї фази становить кілька десятків чи сотень мсек.

Лабільність. Ми розглянули основні механізми виникнення та поширення в нервових та м'язових волокнах одиночної хвилі збудження. Однак у природних умовах існування організму нервовими волокнами проходять не поодинокі, а ритмічні залпи потенціалів дії. У чутливих нервових закінченнях, розташованих у будь-яких тканинах, виникають і поширюються по аферентним нервовим волокнам, що відходять від них, ритмічні розряди імпульсів навіть при дуже короткочасному подразненні. Так само з ЦНС по еферентним нервам йде потік імпульсів на периферію до виконавчих органів. Якщо виконавчим органом є скелетні м'язи, то в них виникають спалахи збуджень у ритмі імпульсів, що надходять по нерву.

Частота розрядів імпульсів у збудливих тканинах може варіювати в широких межах залежно від сили прикладеного подразнення, властивостей та стану тканини та від швидкості перебігу окремих актів збудження у ритмічному ряду. Для характеристики цієї швидкості було сформульовано поняття лабільність. Під лабільністю, чи функціональної рухливістю він розумів більшу чи меншу швидкість перебігу тих елементарних реакцій, якими супроводжується збудження. Мірою лабільності є найбільша кількість потенціалів дії, яку збудливий субстрат здатний відтворити в одиницю часу відповідно до частоти подразнення, що подається.

Спочатку припускали, що мінімальний інтервал між імпульсами в ритмічному ряді має відповідати тривалості абсолютного періоду рефрактерності. Точні дослідження, однак, показали, що при частоті слідування стимулів з таким інтервалом виникають тільки два імпульси, а третій випадає внаслідок депресії, що розвивається. Тому інтервал між імпульсами повинен бути дещо більшим за абсолютний рефрактерний період. У рухових нервових клітинах теплокровних тварин рефрактерний період становить близько 0,4 мсек, і потенційний максимальний ритм повинен би дорівнювати 2500/сек, але насправді він дорівнює близько 1000/сек. Слід наголосити, що ця частота значно перевищує частоту імпульсів, що проходять по цих волокнах у фізіологічних умовах. Остання складає близько 100/сек.

Справа в тому, що зазвичай у природних умовах тканина працює з так званим оптимальним ритмом. Для пропускання імпульсів із таким ритмом не потрібно великої сили подразнення. Дослідження показали, що частота подразнення та реобазу струму, здатного викликати нервові імпульси з такою частотою, перебувають у своєрідній залежності: реобаза спочатку падає зі зростанням частоти імпульсів, потім знову наростає. Оптимум знаходиться у нервів у межах від 75 до 150 імп/сек, для м'язів – 20-50 імп/сек. Такий ритм, на відміну інших, дуже стійко і довго може відтворюватися збудливими утвореннями.

Таким чином, ми можемо тепер назвати всі основні параметри збудливості тканин, що характеризують її властивості: реобазу, корисний час (хронаксія), критичний нахил, лабільність. Усі вони, крім останнього, перебувають із збудливістю у зворотному пропорційних відносинах.

Поняття про "парабіоз". Лабільність – величина непостійна. Вона може змінюватися в залежності від стану нерва або м'яза, в залежності від сили і тривалості подразнень, що падають на них, від ступеня втоми і т. п. Вперше зміна лабільності нерва при дії на нього спочатку хімічними, а потім і електричними подразниками, вивчив. Він виявив закономірне зниження лабільності альтерованої хімічним агентом (аміаком) ділянки нерва, назвав це явище "парабіозом" та вивчив його закономірності. Парабіоз - це оборотний стан, який, однак, при поглибленні дії агента, що викликає його, може перейти в незворотний.

Введенський розглядав парабіоз як особливий стан стійкого збудження, що не вагається, як би застиглого в одній ділянці нервового волокна. Справді, парабіотична ділянка заряджена негативно. Таке явище Введенський вважав прообразом переходу збудження у гальмування у нервових центрах. На його думку, парабіоз є результатом перезбудження нервової клітини надто сильним або надто частим роздратуванням.

Розвиток парабіозу протікає у три стадії: зрівняльну, парадоксальну та гальмівну. Спочатку за рахунок зниження акомодації окремі імпульси струму малої частоти за умови їх достатньої сили дають уже не 1 імпульс, а 2,3 або навіть 4. Одночасно поріг збудливості зростає, а максимальний ритм збудження прогресивно знижується. В результаті на імпульси як малої, так і великої частоти нерв починає відповідати одній і тій же частоті розрядів, найбільш близькій до оптимального для цього нерва ритму. Це і є зрівняльна фаза парабіозу. На наступному етапі розвитку процесу в області порогових інтенсивностей подразнення ще зберігається відтворення ритму, близького до оптимального, а на часті імпульси тканина або взагалі не відповідає, або дуже рідкісними хвилями збудження. Це – парадоксальна фаза.

Потім здатність волокна до ритмічної хвильової діяльності падає, падає і амплітуда ПД, збільшується його тривалість. Будь-яка зовнішня дія підкріплює стан гальмування нервового волокна і одночасно загальмовується само. Це – остання, гальмівна фаза парабіозу.

В даний час описаний феномен пояснюється з позицій мембранної теорії порушенням механізму підвищення натрієвої проникності та появою затяжної інактивації натрієвої. В результаті цього Na-канали залишаються закритими, він накопичується в клітині та зовнішня поверхня мембрани довгий часзберігає негативний заряд. Це перешкоджає новому подразненню з допомогою подовження рефрактерного періоду. При набіганні на ділянку парабіозу часто наступних один за одним ПД інактивація натрієвої проникності, викликана альтеруючим агентом, підсумовується з інактивацією, що супроводжує нервовий імпульс. В результаті збудливість знижується настільки, що проведення наступного імпульсу блокується повністю.

Обмін речовин та енергії при збудженні. При виникненні та проведенні збудження у нервових клітинах та м'язових волокнах відбувається посилення обміну речовин. Це проявляється як у низці біохімічних змін, що відбуваються в мембрані та протоплазмі клітин, так і у посиленні їх теплопродукції. Встановлено, що при збудженні відбуваються: посилення розпаду в клітинах багатих на енергію сполук - АТФ та креатинфосфату (КФ), посилення процесів розпаду та синтезу вуглеводів, білків та ліпідів, посилення окисних процесів, що призводять у поєднанні з гліколізом до резинтезу АТФ та руйнування ацетилхоліну та норадреналіну, інших медіаторів, посилення синтезу РНК та білків. Всі ці процеси найбільше виражені під час відновлення стану мембрани після ПД.

У нервах і м'язах кожна хвиля збудження супроводжується виділенням двох порцій тепла, з яких перша називається початковим, а друга - теплом, що запізнюється. Початкове теплоутворення відбувається у момент збудження і становить незначну частину всієї теплопродукції (2-10%) при збудженні. Припускають, що це тепло пов'язане з тими фізико-хімічними процесами, що розвиваються на момент генерації ПД. Запізнювальне теплоутворення відбувається протягом більш тривалого часу, і триває багато хвилин. Воно пов'язане з тими хімічними процесами, які відбуваються в тканині за хвилею збудження, і, за образним висловом Ухтомського, становлять "метаболічний хвіст комети збудження".

Проведення збудження. Класифікація нервових волокон.

Як тільки в будь-якій точці нервового або м'язового волокна виникає ПД і ця ділянка набуває негативного заряду, між збудженими і сусідніми ділянками, що покоїться, волокна виникає електричний струм. В даному випадку збуджена ділянка мембрани діє на сусідні ділянки як катод постійного струму, викликаючи їхню деполяризацію і генеруючи локальну відповідь. Якщо величина локальної відповіді перевищить ЕК мембрани, виникає ПД. В результаті зовнішня поверхня мембрани заряджається негативно на новій ділянці. У такий спосіб хвиля збудження поширюється вздовж усього волокна зі швидкістю близько 0,5-3 м/сек.

Закони проведення порушення нервами.

1. Закон фізіологічної безперервності. Перерізка, перев'язка, а також будь-яка інша дія, що порушує цілість мембрани (фізіологічну, а не тільки анатомічну), створюють непровідність. Те саме виникає при теплових та хімічних впливах.

2. Закон двостороннього провадження. При нанесенні подразнення на нервове волокно збудження поширюється по ньому в обох напрямках (по поверхні мембрани - на всі боки) з однаковою швидкістю. Це доводиться досвідом Бабухіна та подібними до нього.

3. Закон ізольованого проведення. У нерві імпульси поширюються з кожного волокну ізольовано, т. е. не переходять із однієї волокна в інше. Це дуже важливо, оскільки забезпечує точну адресу імпульсу. Пов'язано це з тим, що електричний опір міелінових та шванівських оболонок, а також міжклітинної рідини значно більший, ніж опір мембрани нервових волокон.

Механізми та швидкість проведення збудження у безм'якотних та м'якотних нервових волокнах різні. У безм'якотних збудження поширюється безперервно вздовж усієї мембрани від однієї збудженої ділянки до іншої, розташованої поряд, так як ми вже обговорювали.

У міелінових волокнах збудження поширюється лише стрибкоподібно, перестрибуючи через ділянки, вкриті мієліновою оболонкою (сальтаторно). Потенціали дії у цих волокнах виникають лише у перехопленнях Ранв'є. У стані спокою зовнішня поверхня збудливої мембрани всіх перехоплень Ранв'є заряджена позитивно. У момент порушення поверхня першого перехоплення стає негативно зарядженою по відношенню до сусіднього другого перехоплення. Це призводить до виникнення місцевого (локального) електроструму, що йде через навколишнє волокно міжклітинну рідину, мембрану і аксоплазму від перехоплення 2 до 1. Струм, що виходить через перехоплення 2, збуджує його, викликаючи перезарядку мембрани. Тепер ця ділянка може порушити наступну і т.д.

Перестрибування ПД через міжперехоплювальну ділянку можливе тому, що амплітуда ПД в 5-6 разів більша за поріг, необхідний для збудження не тільки наступного, але і 3-5 перехоплень. Тому мікроушкодження волокна в міжперехоплювальних ділянках або на одному перехопленні не припиняють роботи нервового волокна до тих пір, поки регенеративні явища не захоплять 3 і більше лежачі поруч шванівські клітини.

Час, необхідне передачі збудження від одного перехоплення до іншого, однаково у волокон різного діаметра, і становлять 0,07 мсек. Однак оскільки довжина міжперехоплювальних ділянок різна і пропорційна діаметру волокна, в міелінізованих нервах швидкість проведення нервових імпульсів прямо пропорційна їх діаметру.

Класифікація нервових волокон. Електрична відповідь цілого нерва є сумою алгебри ПД окремих його нервових волокон. Тому, з одного боку, амплітуда електричних імпульсів цілого нерва залежить від сили подразника (з її зростанням залучаються все нові волокна), а по-друге, сумарний потенціал дії нерва може бути розчленований на кілька окремих коливань, причиною чого є неоднакова швидкість проведення імпульсів різним волокнам, що становлять цілий нерв.

В даний час нервові волокна за швидкістю проведення збудження, тривалістю різних фаз ПД та будовою прийнято розділяти на три основні типи.

Волокна типу А поділяються на підгрупи (альфа, бета, гама, дельта). Вони вкриті міеліновою оболонкою. Швидкість проведення у них найбільша – 70-120 м/сек. Це – рухові волокна, від моторних нейронів спинного мозку. Інші волокна типу А - чутливі.

Волокна типу В – міелінові, переважно прегангліонарні. Швидкість проведення – 3-18 м/сек.

Волокна типу С – безм'якотні, дуже малого діаметра (2 мк). Швидкість проведення не більше ніж 3 м/сек. Це постгангліонарні волокна симпатичної нервової системи найчастіше.

ЗАГАЛЬНА ФІЗІОЛОГІЯ

ЦЕНТРАЛЬНОЇ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ

Фізіологія центральної нервової системи (ЦНС) є найбільш складною, але в той же час і найбільш відповідальною главою фізіології, тому що у вищих ссавців і людини нервова система здійснює функцію зв'язку частин організму між собою, їх співвідношення та інтеграцію, з одного боку, та функцію зв'язки агентів довкілля з певними проявами діяльності організму – з іншого. Успіхи сучасної науки у розшифровці всієї складності нервової системи ґрунтуються на визнанні єдиного механізму її функціонування – рефлексу.

Рефлекси – це акти організму, які наступають у відповідь роздратування рецепторів і здійснюються з участю ЦНС. Вперше уявлення про рефлекс було сформульовано Декартом, розвинене Сєченовим, Павловим, Анохіним. Кожен рефлекс здійснюється завдяки діяльності певних структурних утворень нервової системи. Однак, перш ніж розбирати особливості будови рефлекторної дуги, ми маємо познайомитися із будовою та властивостями функціональної одиниці нервової системи – нервовою клітиною, нейроном.

Будова та функції нейрона. Ще в минулому столітті Рамон-і-Кахал виявив, що будь-яка нервова клітина має тіло (сому), і відростки, які за особливостями будови та функції поділяються на дендрити та аксон. Аксон у нейрона завжди тільки один, а дендрит може бути дуже багато. У 1907 р. Шеррінгтон описав способи взаємодії нейронів між собою та ввів поняття синапсу. Після того, як Рамон-і-Кахал показав, що дендрити сприймають роздратування, а аксон посилає імпульси, сформувалося уявлення про те, що основною функцією нейрона є сприйняття. переробка та посилка інформації на іншу нервову клітину або на робочий орган (м'яз, залозу).

Структура та розміри нейронів сильно варіюють. Діаметр їх може коливатися від 4 мікронів (клітини-зерна мозочка) до 130 мікронів (гігантські пірамідні клітини Беца). Форма нейронів також різноманітна.

Нервові клітини мають дуже великі ядра, пов'язані функціонально та структурно з мембраною клітини. Деякі нейрони – багатоядерні, наприклад нейросекреторні клітини гіпоталамуса або при регенерації нейронів. У ранньому постнатальному періоді нейрони можуть ділитися.

У цитоплазмі нейрона виявляють т. зв. речовина Ніссля – це гранули ендоплазматичного ретикулюму, багаті на рибосоми. Його багато довкола ядра. Під мембраною клітини ендоплазматичний ретикулюм утворює цистерни, відповідальні за підтримку концентрації К+ під мембраною. Рибосоми – це колосальні заводи білка. Весь білок нервової клітини оновлюється за 3 дні, а при підвищенні функції нейрона ще швидше. Агранулярний ретикулюм представлений апаратом Гольджі, який оточує всю нервову клітину зсередини. На ньому є лізосоми, що містять різні ферменти, бульбашки з гранулами медіатора. Апарат Гольджі бере активну участь у формуванні бульбашок із медіатором.

І в тілі клітини, і в відростках багато мітохондрій, енергетичних станцій клітини. Це рухливі органели, здатні з допомогою актоміозину пересуватися туди, де у клітині необхідна енергія її діяльності.

При потенціалі дії внутрішньоклітинний потенціал стає позитивним, оскільки збуджена мембрана тимчасово набуває більшої проникності для Na+ (порівняно з К+). , тому мембранний потенціал якийсь час наближається за величиною до потенціалу рівноваги іонів натрію (E Na)- Е Nа можна визначити, використовуючи відношення Нернста; при позаклітинній та внутрішньоклітинній концентрації Na + 150 та 10 мМ відповідно він складе:

Вказані вище зміни проникності, що викликають розвиток фази деполяризації потенціалу дії, виникають внаслідок відкриття та закриття особливих мембранних каналів, або пір, через які легко проходять іони натрію. Як вважають, робота «воріт» регулює відкриття та закриття окремих каналів, які можуть існувати щонайменше у трьох конформаціях – «відкритій», «закритій» та «інактивованій». Одні ворота, що відповідають активаційній змінній m» в описі Ходжкіна - Хакслі іонних потоків натрію в мембрані гігантського аксона кальмара, що швидко переміщуються, відкриваючи канал, коли мембрана раптово деполяризується під дією стимулу. Інші ворота, що відповідають інактиваційній змінній h» в описі Ходжкіна – Хакслі, при деполяризації рухаються повільніше, та їх функція полягає у закритті каналу (рис. 3.3). Як розподіл воріт, що встановився, в межах системи каналів, так і швидкість їх переходу з одного положення в інше залежать від рівня мембранного потенціалу. Тому для опису мембранної провідності Na + використовуються терміни "залежний від часу" та "потенціалозалежний".

Якщо мембрану в спокої раптово деполяризувати до рівня позитивного потенціалу (наприклад, в експерименті фіксації потенціалу), то активаційні ворота швидко змінять своє положення, щоб відкрити натрієві канали, а потім інактиваційні ворота повільно їх закриють (рис. 3.3). Слово «повільно» означає тут, що інактивацію йде кілька мілісекунд, тоді як активація відбувається в частки мілісекунди. Ворота залишаються у зазначених положеннях до тих пір, поки мембранний потенціал знову не зміниться, і щоб всі ворота повернулися до вихідного стану спокою, мембрана повинна бути повністю реполяризована до рівня високого негативного потенціалу. Якщо мембрана реполяризується лише до невисокого рівня негативного потенціалу, деякі інактиваційні ворота залишаться закритими і максимальна кількість доступних натрієвих каналів, здатних відкритися при подальшій деполяризації, скоротиться . (Електрична активність серцевих клітин, в яких натрієві канали повністю інактивовані, буде обговорюватися нижче.) Повна реполяризація мембрани в кінці нормального потенціалу дії забезпечує повернення всіх воріт до вихідного стану і, отже, їхня готовність до наступного потенціалу дії.

Мал. 3.3. Схематичне зображення мембранних каналів для вхідних потоків іонів при потенціалі спокою, а також активації та інактивації.

Зліва показана послідовність станів каналу за нормального потенціалу спокою -90 мВ. У спокої інактиваційні ворота як Na + -каналу (h), і повільного Ca 2+ /Na + -каналу (f) відкриті. Під час активації при збудженні клітини т-воріт Na + -каналу відкриваються і вхідний потік іонів Na + деполяризує клітину, що призводить до наростання потенціалу дії (графік внизу). Потім h-ворота закриваються, інактивуючи таким чином провідність Na +. При наростанні потенціалу дії мембранний потенціал перевищує позитивний поріг потенціалу повільних каналів; їх активаційні ворота (d) при цьому відкриваються та іони Ca 2+ і Na + надходять у клітину, викликаючи розвиток фази плато потенціалу дії. Ворота f, що інактивують Ca 2+ /Na + -канали, закриваються набагато повільніше, ніж ворота h, які інактивують Na-канали. На центральному фрагменті показано поведінку каналу при зниженні потенціалу спокою до -60 мВ. Більшість інактиваційних воріт Na-каналу залишається закритим доти, доки мембрана деполяризована; що виникає при стимуляції клітини вхідний потік Na + занадто малий, щоб викликати розвиток потенціалу дії. Однак інактиваційні ворота (f) повільних каналів при цьому не закриваються і, як показано на фрагменті справа, при достатньому збудженні клітини, що дозволяє відкрити повільні канали і пропустити повільно вхідні потоки іонів, можливий повільний розвиток потенціалу дії у відповідь.

Мал. 3.4.Пороговий потенціал при збудженні серцевої клітки.

Зліва - потенціал дії, що виникає на рівні потенціалу спокою, що становить -90 мВ; це відбувається при збудженні клітини надходить імпульсом або яким-небудь підпороговим стимулом, що швидко знижує мембранний потенціал до значень, що лежать нижче порогового рівня - 65 мВ. Праворуч - ефекти двох підпорогових та порогових стимулів. Підпорогові стимули (а та б) не дають зниження мембранного потенціалу до порогового рівня; отже, потенціал дії немає. Пороговий стимул (в) знижує мембранний потенціал точно до порогового рівня, на якому потім виникає потенціал дії.

Швидка деполяризація на початку потенціалу дії викликається потужним вхідним потоком іонів натрію, що надходять всередину клітини (відповідно градієнту їхнього електрохімічного потенціалу) через відкриті натрієві канали. Однак насамперед натрієві канали повинні бути ефективно відкриті, для чого потрібна швидка деполяризація досить великої площі мембрани до необхідного рівня, що називається пороговим потенціалом (рис. 3.4). В експерименті цього можна досягти, пропускаючи через мембрану струм із зовнішнього джерела та використовуючи позаклітинний або внутрішньоклітинний стимулюючий електрод. У природних умовах тієї ж мети служать локальні струми, що протікають через мембрану безпосередньо перед потенціалом дії, що поширюється. При пороговому потенціалі достатня кількість натрієвих каналів виявляється відкритим, що забезпечує необхідну амплітуду натрієвого вхідного струму і, отже, подальшу деполяризацію мембрани; у свою чергу, деполяризація викликає відкриття більшого числа каналів, призводячи до збільшення вхідного потоку іонів, так що процес деполяризації стає регенеративним. Швидкість регенеративної деполяризації (або наростання потенціалу дії) залежить від сили вхідного натрієвого струму, яка своєю чергою визначається такими факторами, як величина градієнта електрохімічного потенціалу Na + та кількість доступних (або неінактивованих) натрієвих каналів. У волокнах Пуркіньє максимальна швидкість деполяризації при розвитку потенціалу дії, що позначається як dV/dt max або V max досягає приблизно 500 В/с, і якби така швидкість підтримувалася протягом всієї фази деполяризації від -90 мВ до +30 мВ, то зміна потенціалу на 120 мВ зайняло б близько 0,25 мс. Максимальна швидкість деполяризації волокон робочого міокарда шлуночків становить приблизно 200 В/с, а м'язових волокон передсердь-від 100 до 200 В/с. (Фаза деполяризації потенціалу дії в клітинах синусового та атріовентрикулярного вузлів суттєво відрізняється від щойно описаної та обговорюватиметься окремо; див. нижче.)

Потенціали дії з такою високою швидкістю наростання (їх часто називають швидкими відповідями) швидко поширюються по серцю. Швидкість поширення потенціалу дії (як і V max) у клітинах з однаковою пропускною здатністю мембрани та характеристиками осьового опору визначається головним чином амплітудою спрямованого внутрішньо струму, що протікає під час фази наростання потенціалу дії. Це пов'язано з тим, що локальні струми, що проходять через клітини безпосередньо перед потенціалом дії, мають більшу величину при більш швидкому наростанні потенціалу, тому мембранний потенціал у цих клітинах раніше досягає порогового рівня, ніж у разі меншого струму (див. рис. 3.4). . Звичайно, ці локальні струми протікають через клітинну мембрану і відразу після проходження потенціалу дії, що поширюється, але вони вже нездатні порушити мембрану через її рефрактерності.

Мал. 3.5. Нормальний потенціал дії та реакції, спричинені стимулами на різних стадіях реполяризації.

Амплітуда та зростання швидкості відповідей, викликаних під час реполяризації, залежать від рівня мембранного потенціалу, на якому вони виникають. Найраніші відповіді (а й б) виникають настільки низькому рівні, що виявляються занадто слабкими і нездатними до поширення (градуальні чи місцеві відповіді). Відповідь «в» являє собою найбільш ранній з потенціалів дії, що поширюються, але його поширення відбувається повільно через незначне зростання швидкості, а також низької амплітуди. Відповідь «г» з'являється точно перед повною реполяризацією, швидкість його посилення і амплітуда вище, ніж за відповіді «в», оскільки він виникає за більш високому мембранному потенціалі; проте швидкість його поширення стає нижчою за нормальну. Відповідь «д» відзначається після повної реполяризації, тому його амплітуда та швидкість деполяризації мають нормальні значення; отже, він швидко поширюється. ПП – потенціал спокою.

Низька швидкість наростання потенціалів дії, викликаних протягом відносного рефрактерного періоду, зумовлює їхнє повільне поширення; такі потенціали дії можуть спричинити деякі порушення проведення, наприклад затримки, згасання та блокування, і навіть здатні викликати циркуляцію збудження. Дані явища обговорюються нижче у цьому розділі.

У нормальних серцевих клітинах за вхідним натрієвим струмом, відповідальним за швидке наростання потенціалу дії, слідує другий вхідний струм, меншої величини і повільніший, ніж натрієвий струм, який, мабуть, переноситься в основному іонами кальцію. Цей струм зазвичай відносять до «повільного вхідного струму» (хоча він є таким лише в порівнянні зі швидким натрієвим струмом; інші важливі зміни, наприклад, що спостерігаються під час реполяризації, ймовірно, уповільнюються); він протікає через канали, які відповідно до характеристик їх провідності, що залежить від часу і вольтажу, були названі «повільними каналами» (див. рис. 3.3). Поріг активації цієї провідності (тобто коли починають відкриватися активаційні ворота - d) лежить між -30 і -40 мВ (порівняйте: від -60 до -70 мВ для натрієвої провідності). Регенеративна деполяризація, обумовлена швидким натрієвим струмом, зазвичай активує провідність повільного вхідного струму, тому в пізніший період наростання потенціалу дії струм тече по каналах обох типів. Проте струм Са 2+ набагато менше максимального швидкого струму Na + , тому його внесок у потенціал дії дуже невеликий доти, поки швидкий струм Na + стане досить інактивованим (тобто після початкового швидкого наростання потенціалу). Оскільки повільний вхідний струм може інактивуватися лише дуже повільно, він робить свій внесок в основному у фазу плато потенціалу дії. Так, рівень плато зміщується у бік деполяризації, коли градієнт електрохімічного потенціалу для Са 2+ збільшується у разі підвищення концентрації [Са 2+ ] 0 ; зниження [Са 2+] 0 викликає зміщення рівня плато у протилежний бік. Однак у деяких випадках може відзначатись внесок кальцієвого струму у фазу наростання потенціалу дії. Наприклад, на кривій наростання потенціалу дії в міокардіальних волокнах шлуночка жаби іноді спостерігається вигин близько 0 мВ, у точці, де початкова швидка деполяризація поступається місцем більш повільної деполяризації, яка продовжується до піку овершута потенціалу дії. Як було показано, швидкість повільнішої деполяризації і величина овершута зростають з підвищенням [Са 2+] 0 .

Крім різної залежності від мембранного потенціалу та часу, ці два типи провідності розрізняються і за своїми фармакологічними характеристиками. Так, струм через швидкі канали для Na + знижується під дією тетродотоксину (ТТХ), тоді як повільний струм Са 2+ не піддається впливу ТТХ, але посилюється під дією катехоламінів і пригнічується іонами марганцю, а також деякими препаратами, такими як верапаміл і D 600 . Видається дуже ймовірним (принаймні в серці жаби), що більшість кальцію, необхідного для активації білків, що сприяють кожному скорочення серця, потрапляє в клітину під час потенціалу дії через повільний канал для вхідного струму. У ссавців доступним додатковим джерелом Са 2+ для серцевих клітин є його запаси в саркоплазматичному ретикулумі.

Біологічна мембрана Товщина мембран 7-10 нм складається з подвійного шару фосфоліпідів: гідрофільні частини (головки) спрямовані до поверхні мембрани; гідрофобні частини (хвости) спрямовані усередину мембрани. Гідрофобні кінці стабілізують мембрану як бислоя

ФУНКЦІЇ МЕМБРАН СТРУКТУРНА СТРУКТУРНА. ЗАХИСНИЙ. ЗАХИСНИЙ. ФЕРМЕНТАТИВНА ФЕРМЕНТАТИВНА СПОЛУЧАЛЬНА АБО АДГЕЗИВНА (зумовлює існування багатоклітинних організмів). РЕЦЕПТОРНАЯ. АНТИГЕННА АНТИГЕННА. ЕЛЕКТРОГЕННАЯ ЕЛЕКТРОГЕННАЯ ТРАНСПОРТНА ТРАНСПОРТНА.

ЗВ'ЯЗОК МІЖ КЛІТКАМИ КЛІТИНА сигнальна молекула (перший посередник) або ліганд КЛІТИНА сигнальна молекула (перший посередник) або ліганд молекула мембрани (канал або рецептор) молекула мембрани (канал або рецептор) КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекули клітини -МІШЕННЯ молекули клітини або інші посередники каскад ферментативних реакцій зміна функції клітини

РЕЦЕПТОРИ МЕМБРАН Це молекули (білки, гліко- або ліпопротеїни), чутливі до біологічно активних речовин – лігандів Це молекули (білки, гліко- або ліпопротеїни), чутливі до біологічно активних речовин – лігандів Ліганди – зовнішні подразники для клітин Рецептори – високоспецифічні чи селективні Рецептори – високоспецифічні чи селективні

МЕХАНІЗМ РОБОТИ РЕЦЕПТОРІВ Мембранні рецептори реєструють наявність ліганду: передають сигнал внутрішньоклітинним хімічним сполукам другим посередникам – МЕССЕНДЖЕРАМ 2. 2.Регулюють стан іонних каналів

ВЛАСТИВОСТІ ІОННИХ КАНАЛІВ 1.Селективність - 1.Селективність - кожен канал пропускає лише певний («свій») іон Може знаходиться в різних функціональних станах: закритий, але готовий до відкриття (1) відкритий – активований (2) Інактивований (3)

Гіперполяризація Збільшення різниці ПД між сторонами мембрани Збільшення різниці ПД між сторонами мембраниДЕПОЛЯРИЗАЦІЯ Зменшення різниці потенціалів між сторонами мембрани Зменшення різниці потенціалів між сторонами мембраниРЕПОЛЯРИЗАЦІЯ Збільшення величини МП після деполяризації.

МЕМБРАННИЙ ПОТЕНЦІАЛ СПОКУЮ Це різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнею мембрани збудливої клітини, яка перебуває у стані спокою. Потенціал спокою реєструється внутрішньоклітинним мікроелектродом по відношенню до референтного позаклітинного електрода.

Градієнт Це вектор, який показує різницю між найбільшим і найменшим значенням будь-якої величини у різних точках простору, а також вказує на ступінь цієї зміни. Це вектор, що показує різницю між найбільшим і найменшим значенням будь-якої величини в різних точках простору, а також вказує на ступінь зміни.

ФАКТОРИ, ФОРМУЮЧІ МП 1. ІОННА АСИМЕТРІЯ Концентраційний градієнт калію Концентраційний градієнт калію Концентраційний градієнт натрію Концентраційний градієнт натрію = p = 8-10p

2.Напівпроникність мембрани K + Na + Cl - Білок

«Електричний градієнт» Це сила, що створюється електричним полем трансмембранної різниці потенціалів Це сила, яка створюється електричним полем трансмембранної різниці потенціалів Вихід калію назовні зменшує концентраційний градієнт, а електричний – збільшує. Вихід калію назовні зменшує концентраційний градієнт, а електричний збільшує. В результаті величина градієнтів вирівнюється. В результаті величина градієнтів вирівнюється.

«Електричний градієнт» Трансмембранна різниця потенціалів створює електричне поле, а відтак і електричний градієнт Трансмембранна різниця потенціалів створює електричне поле, а отже, і електричний градієнт У міру виходу калію назовні концентраційний градієнт зменшується, а електричний – зростає. У міру виходу калію назовні концентраційний градієнт зменшується, а електричний росте. В результаті настає вирівнювання двох градієнтів У результаті настає вирівнювання двох градієнтів

Рівноважний потенціал рівноважний стан - це така величина електричного заряду мембрани, яка повністю врівноважує концентраційний градієнт для певного іона і сумарний струм цього іона дорівнюватиме 0. рівноважний стан - це така величина електричного заряду мембрани, яка повністю врівноважує концентраційний градієнт для певного іона і цього іона дорівнюватиме 0. Рівноважний потенціал для калію = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ) Рівноважний потенціал для калію = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ)

Стан спокою для клітини Мембрана трохи проникна для натрію, що зменшує різницю зарядів та величину електричного градієнта Мембрана трохи проникна для натрію, що зменшує різниця зарядів та величину електричного градієнта

Механізми підтримки іонної асиметрії Електричний заряд на мембрані – сприяє входу калію в клітину та гальмує його вихід Електричний заряд на мембрані – сприяє входу калію в клітину та гальмує його вихід натрієвий насос – активний транспорт, який переносить через мембрану іони проти концентраційного градієнта

ФУНКЦІЇ КАЛІЙ-НАТРІЄВОГО НАСОСУ Активний транспорт іонів Активний транспорт іонів АТФ-азна ферментативна активність АТФ-азна ферментативна активність Підтримка іонної асиметрії Підтримка іонної асиметрії Посилення поляризації мембрани – електрогенний ефект Посилення поляризації мембрани – електрогенний ефект

Деполяризація Виникає при відкритті натрієвих каналів Виникає при відкритті натрієвих каналів Натрій входить у клітину: Натрій входить у клітину: зменшує негативний заряд на внутрішній поверхні мембрани зменшує негативний заряд на внутрішній поверхні мембрани зменшує електричне поле навколо мембрани зменшує електричне поле навколо мембрани Ступінь деполяризації залежить від кількості відкритих каналів для натрію Ступінь деполяризації залежить від кількості відкритих каналів для натрію

КРИТИЧНИЙ РІВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦІЇ Е кр Рівень деполяризації, при якому відкривається максимально можлива кількість натрієвих каналів (усі канали для натрію відкриті) Потік іонів натрію Потік іонів натрію «лавиною» спрямовується у клітину Починається регенеративна деполяризація Починається регенеративна деполяризація

Різниця між величиною вихідної поляризації мембрани (Е 0) і критичним рівнем деполяризації (Е кр) Різниця між величиною вихідної поляризації мембрани (Е 0) і критичним рівнем деполяризації (Е кр) 0 - Е кр При цьому струм натрію перевищує струм калію в 20 разів! При цьому струм натрію перевищує струм калію у 20 разів! Залежить від співвідношення активованих натрієвих та калієвих каналів Залежить від співвідношення активованих натрієвих та калієвих каналів

Закон «все чи нічого» Підпороговий подразник викликає місцеву деполяризацію («нічого») Підпороговий подразник викликає місцеву деполяризацію («нічого») Пороговий подразник викликає максимально можливу відповідь («Все») Пороговий подразник викликає максимально можливу відповідь («Все») Надпороговий подразник викликає такий самий відповідь, як і пороговий Надпороговий подразник викликає таку ж відповідь, як і пороговий Т.о. відповідь клітини залежить від сили подразника. Т.о. відповідь клітини залежить від сили подразника.

ЛО Властивості ЛО 1. Не підкоряється закону «все чи нічого» Амплітуда ЛО залежить від сили стимулу Поширюється по мембрані загасанням (декрементом) Може підсумовуватися (внаслідок амплітуда деполяризації збільшується) Трансформується на потенціал дії при досягненні рівня критичної деполяризації

Потенціал дії (ПД) Це різниця потенціалів між збудженою та незбудженою ділянками мембрани, яка виникає внаслідок швидкої деполяризації мембрани з подальшою її перезарядкою. Це різниця потенціалів між збудженою та незбудженою ділянками мембрани, яка виникає в результаті швидкої деполяризації мембрани з подальшою її перезарядкою. Амплітуда ПД близько 120 - 130 мкВ, тривалість (у середньому) - 3 - 5 мс . (У різних тканинах від 0,01мс до 0,3 с).

Е0Е0 Е кр мВ

Умови виникнення ПД Деполяризація повинна досягти критичного рівня деполяризації Деполяризація повинна досягти критичного рівня деполяризації Струм натрію в клітину повинен перевищувати струм калію з клітини в 20 разів (канали для натрію швидкопровідні, а для калію - повільні) Струм натрію в клітину повинен перевищувати струм у 20 разів (канали для натрію швидкопровідні, а для калію – повільні) Повинна розвинутися регенеративна деполяризація Повинна розвинутися регенеративна деполяризація

Е0Е0 Е кр 0+30

Ефект впливу на клітину Це процес впливу на клітину Ефект впливу залежить як від якісних та кількісних характеристик подразника, так і властивостей самої клітини Ефект впливу залежить як від якісних та кількісних характеристик подразника, так і властивостей самої клітини

ЗАКОНИ ДРАЖЕННЯ Це комплекс правил, що описують вимоги, яким повинен підкорятися подразник, щоб він міг викликати процес збудження. До них відносяться: полярний закон закон сили закон часу (тривалості дії) закон крутості (часу наростання сили)

69 Закони роздратування Закон сили Закон сили – щоб виник ПД, сила стимулу має бути не меншою від порогової величини. Закон часу Закон часу – щоб виник ПД, час дії стимулу має бути не менше порогової величини Закон крутості Закон крутості – щоб виник ПД, крутість стимулу має бути не менше порогової величини

Залежність сили від часу дії Р – реобазу – це мінімальна сила струму, що викликає збудження ПВ – корисний час – мінімальний час дії подразнюючого імпульсу силою в одну реобазу, необхідну для збудження. Хр – хронаскія - мінімальний час дії дратівливого імпульсу силою в 2 реобази необхідне возикновения ПД.

Акомодація Це здатність тканини пристосовуватися до довготривалого подразника. При цьому сила його також збільшується повільно (маленька крутість). Це здатність тканини пристосовуватися до довготривалого подразника. При цьому сила його також збільшується повільно (маленька крутість) Відбувається зміщення критичного рівня деполяризації у бік нуля Відбувається зміщення критичного рівня деполяризації у бік нуля Натрієві канали відкриваються не одночасно і струм натрію в клітину компенсується струмом калію з клітини. ПД немає, т.к. немає регенеративної деполяризації Натрієві канали відкриваються не одночасно і струм натрію в клітину компенсується струмом калію з клітини. ПД немає, т.к. немає регенеративної деполяризації Аккомодація проявляється у збільшенні порогової сили стимулу при зменшенні крутості наростання стимулу – чим менше крутість, тим більша порогова сила В основі акомодації тканини лежить процес інактивації натрієвих каналів. Тому чим менша крутість наростання стимулу – тим більше інактивується натрієвих каналів – відбувається зміщення рівня критичної деполяризації та зростає порогова сила стимулу. Якщо крутість наростання стимулу буде меншою за порогову величину, то ПД не виникає і спостерігатиметься лише локальна відповідь.

ЕЛЕКТРОТОН ФІЗІОЛОГІЧНИЙ Зміни збудливості мембрани при тривалому впливі на неї постійного струму підпорогової сили. Кателектротон При цьому під катодом розвивається кателектротон - збільшення збудливості. анелектротонпід анодом - анелектротон - зниження збудливості.

Електротон. А – кателектротон. 1 - початкове збільшення збудливості: V1 V. Б - анелектротон, зниження збудливості: V1 > V. V. Б – анелектротон, зниження збудливості: V1 > V."> V. Б – анелектротон, зниження збудливості: V1 > V."> V. Б – анелектротон, зниження збудливості: V1 > V." title="(!LANG : Електротон А - кателектротон 1 - початкове підвищення збудливості: V1 V. Б - анелектротон, зниження збудливості: V1 > V."> title="Електротон. А – кателектротон. 1 - початкове збільшення збудливості: V1 V. Б - анелектротон, зниження збудливості: V1 > V."> !}

Катодична депресія по Вериго Якщо постійний струм діє на мембрану тривалий час, то підвищена збудливість під катодом змінюється зниженням збудливості. У основі явища лежить явище акомодації тканини, т.к. постійний струмможна уявити як струм з нескінченно малою крутістю наростання.

Електричний імпульс, що розповсюджується по серцю і запускає кожен цикл скорочень, називається потенціалом дії; він є хвилею короткочасної деполяризації, під час якої внутрішньоклітинний потенціал по черзі в кожній клітині стає на короткий час позитивним, а потім повертається до свого вихідного негативного рівня. Зміни нормального серцевого потенціалу дії мають характерний розвиток у часі, який для зручності поділено на наступні фази: фаза 0 – початкова швидка деполяризація мембрани; фаза 1 - швидка, але неповна реполяризація; фаза 2 – «плато», або тривала деполяризація, характерна для потенціалу дії серцевих клітин; фаза 3 - кінцева швидка реполяризація; фаза 4 – період діастоли.
При потенціалі дії внутрішньоклітинний потенціал стає позитивним, оскільки збуджена мембрана тимчасово набуває більшої проникності для Na+ (порівняно з К+) , тому мембранний потенціал якийсь час наближається за величиною до потенціалу рівноваги іонів натрію (ENa)- ЕNа можна визначити, використовуючи відношення Нернста; при позаклітинній та внутрішньоклітинній концентрації Na+ 150 та 10 мМ відповідно він складе:

Однак підвищена проникність для Na+ зберігається лише нетривалий час, тому мембранний потенціал не досягає ENa і після закінчення потенціалу дії повертається до рівня спокою.
Вказані вище зміни проникності, що викликають розвиток фази деполяризації потенціалу дії, виникають внаслідок відкриття та закриття особливих мембранних каналів, або пір, через які легко проходять іони натрію. Як вважають, робота «воріт» регулює відкриття та закриття окремих каналів, які можуть існувати щонайменше у трьох конформаціях – «відкритій», «закритій» та «інактивованій». Одні ворота, що відповідають активаційній змінній m» в описі Ходжкіна - Хакслі іонних потоків натрію в мембрані гігантського аксона кальмара, що швидко переміщуються, відкриваючи канал, коли мембрана раптово деполяризується під дією стимулу. Інші ворота, що відповідають інактиваційній змінній h» в описі Ходжкіна – Хакслі, при деполяризації рухаються повільніше, та їх функція полягає у закритті каналу (рис. 3.3). Як розподіл воріт, що встановився, в межах системи каналів, так і швидкість їх переходу з одного положення в інше залежать від рівня мембранного потенціалу. Тому для опису мембранної провідності Na+ використовуються терміни «залежний від часу» та «потенціалозалежний».
Якщо мембрану в спокої раптово деполяризувати до рівня позитивного потенціалу (наприклад, в експерименті фіксації потенціалу), то активаційні ворота швидко змінять своє положення, щоб відкрити натрієві канали, а потім інактиваційні ворота повільно їх закриють (рис. 3.3). Слово «повільно» означає тут, що інактивацію йде кілька мілісекунд, тоді як активація відбувається в частки мілісекунди. Ворота залишаються у зазначених положеннях до тих пір, поки мембранний потенціал знову не зміниться, і щоб всі ворота повернулися до вихідного стану спокою, мембрана повинна бути повністю реполяризована до рівня високого негативного потенціалу. Якщо мембрана реполяризується лише до невисокого рівня негативного потенціалу, деякі інактиваційні ворота залишаться закритими і максимальна кількість доступних натрієвих каналів, здатних відкритися при подальшій деполяризації, скоротиться . (Електрична активність серцевих клітин, в яких натрієві канали повністю інактивовані, буде обговорюватися нижче.) Повна реполяризація мембрани в кінці нормального потенціалу дії забезпечує повернення всіх воріт до вихідного стану і, отже, їхня готовність до наступного потенціалу дії.

Мал. 3.3. Схематичне зображення мембранних каналів для вхідних потоків іонів при потенціалі спокою, а також активації та інактивації.
Зліва показана послідовність станів каналу за нормального потенціалу спокою -90 мВ. У спокої інактиваційні ворота як Na+-каналу (h), так і повільного Ca2+/Na+-каналу (f) відчинені. Під час активації при збудженні клітини т-воріт Na+-каналу відкриваються і вхідний потік іонів Na+ деполяризує клітину, що призводить до наростання потенціалу дії (графік внизу). Потім h-ворота закриваються, інактивуючи таким чином провідність Na+. При наростанні потенціалу дії мембранний потенціал перевищує позитивний поріг потенціалу повільних каналів; їх активаційні ворота (d) при цьому відкриваються і іони Ca2+ та Na+ надходять у клітину, викликаючи розвиток фази плато потенціалу дії. Ворота f, що інактивують Ca2+/Na+-канали, закриваються набагато повільніше, ніж ворота h, які інактивують Na-канали. На центральному фрагменті показано поведінку каналу при зниженні потенціалу спокою до -60 мВ. Більшість інактиваційних воріт Na-каналу залишається закритим доти, доки мембрана деполяризована; що виникає при стимуляції клітини вхідний потік Na+ занадто малий, щоб викликати розвиток потенціалу дії. Однак інактиваційні ворота (f) повільних каналів при цьому не закриваються і, як показано на фрагменті справа, при достатньому збудженні клітини, що дозволяє відкрити повільні канали і пропустити повільно вхідні потоки іонів, можливий повільний розвиток потенціалу дії у відповідь.

Мал. 3.4.
Зліва - потенціал дії, що виникає на рівні потенціалу спокою, що становить -90 мВ; це відбувається при збудженні клітини надходить імпульсом або яким-небудь підпороговим стимулом, що швидко знижує мембранний потенціал до значень, що лежать нижче порогового рівня - 65 мВ. Праворуч - ефекти двох підпорогових та порогових стимулів. Підпорогові стимули (а та б) не дають зниження мембранного потенціалу до порогового рівня; отже, потенціал дії немає. Пороговий стимул (в) знижує мембранний потенціал точно до порогового рівня, на якому потім виникає потенціал дії.

Тривалий рефрактерний період після збудження серцевих клітин обумовлений великою тривалістю потенціалу дії та вольтажною залежністю механізму воріт натрієвих каналів. За фазою наростання потенціалу дії слідує період тривалістю від сотні до декількох сотень мілісекунд, протягом якого регенеративна відповідь на повторний стимул відсутня (рис. 3.5). Це так званий абсолютний, або ефективний рефрактерний період; зазвичай він охоплює плато (фаза 2) потенціалу дії. Як описано вище, натрієві канали інактивуються і залишаються закритими під час такої деполяризації, що підтримується. В ході реполяризації потенціалу дії (фаза 3) інактивація поступово усувається, тому частка каналів, здатних знову активуватися, постійно зростає. Отже, за допомогою стимулу на початку реполяризації можна викликати лише невеликий вхідний потік іонів натрію, однак у міру продовження потенціалу реполяризації дії такі потоки будуть збільшуватися. Якщо деякі з натрієвих каналів залишаються незбудливими, викликаний вхідний потік Na+ може призвести до регенеративної деполяризації і, отже, до виникнення потенціалу дії. Проте швидкість деполяризації, отже, і швидкість поширення потенціалів дії значно знижено (див. рис. 3.5) і нормалізуються лише після повної реполяризації . Час, протягом якого повторний стимул здатний викликати такі «градуальні» потенціали дії, називається відносним рефрактерним періодом. Вольтажна залежність усунення інактивації вивчалася Weidmann, який встановив, що швидкість підвищення потенціалу дії та можливий рівень, при якому цей потенціал викликається, знаходяться у S-подібній залежності, відомої також як крива реактивності мембрани.
Низька швидкість наростання потенціалів дії, викликаних протягом відносного рефрактерного періоду, зумовлює їхнє повільне поширення; такі потенціали дії можуть спричинити деякі порушення проведення, наприклад затримки, згасання та блокування, і навіть здатні викликати циркуляцію збудження. Дані явища обговорюються нижче у цьому розділі.
У нормальних серцевих клітинах за вхідним натрієвим струмом, відповідальним за швидке наростання потенціалу дії, слідує другий вхідний струм, меншої величини і повільніший, ніж натрієвий струм, який, мабуть, переноситься в основному іонами кальцію. Цей струм зазвичай відносять до «повільного вхідного струму» (хоча він є таким лише в порівнянні зі швидким натрієвим струмом; інші важливі зміни, наприклад, що спостерігаються під час реполяризації, ймовірно, уповільнюються); він протікає через канали, які відповідно до характеристик їх провідності, що залежить від часу і вольтажу, були названі «повільними каналами» (див. рис. 3.3). Поріг активації цієї провідності (тобто коли починають відкриватися активаційні ворота - d) лежить між -30 і -40 мВ (порівняйте: від -60 до -70 мВ для натрієвої провідності). Регенеративна деполяризація, обумовлена швидким натрієвим струмом, зазвичай активує провідність повільного вхідного струму, тому в пізніший період наростання потенціалу дії струм тече по каналах обох типів. Проте струм Са2+ набагато менше максимального швидкого струму Na+, тому його внесок у потенціал дії дуже невеликий доти, поки швидкий струм Na+ стане досить інактивованим (тобто після початкового швидкого наростання потенціалу). Оскільки повільний вхідний струм може інактивуватися лише дуже повільно, він робить свій внесок в основному у фазу плато потенціалу дії. Так, рівень плато зміщується у бік деполяризації, коли градієнт електрохімічного потенціалу Са2+ збільшується у разі підвищення концентрації [Са2+]0; зниження [Са2+]0 викликає зміщення рівня плато у протилежний бік. Однак у деяких випадках може відзначатись внесок кальцієвого струму у фазу наростання потенціалу дії. Наприклад, на кривій наростання потенціалу дії в міокардіальних волокнах шлуночка жаби іноді спостерігається вигин близько 0 мВ, у точці, де початкова швидка деполяризація поступається місцем більш повільної деполяризації, яка продовжується до піку овершута потенціалу дії. Як було показано, швидкість повільнішої деполяризації і величина овершута зростають із підвищенням [Са2+]0 .
Крім різної залежності від мембранного потенціалу та часу, ці два типи провідності розрізняються і за своїми фармакологічними характеристиками. Так, струм через швидкі канали для Na+ знижується під дією тетродотоксину (ТТХ), тоді як повільний струм Са2+ не піддається впливу ТТХ, але посилюється під дією катехоламінів і пригнічується іонами марганцю, а також деякими препаратами, такими як верапаміл і D-. Видається дуже ймовірним (принаймні в серці жаби), що більшість кальцію, необхідного для активації білків, що сприяють кожному скорочення серця, потрапляє в клітину під час потенціалу дії через повільний канал для вхідного струму. У ссавців доступним додатковим джерелом Са2+ для серцевих клітин є його запаси в саркоплазматичному ретикулумі.

Розділи