Физиология возбудимых тканей

Раздражимость следует считать универсальным свойством живой материи.

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

Раздражимость – общее свойство для всех тканей

• 
  это способность менять свое состояние в ответ на раздражение.
  

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

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

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

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

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

Возбуждение – это процесс.

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

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

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

Функции мембран.

Функции мембран важны и разнообразны:

1. 
   Формирование клеточных структур
   
2. 
   Поддержание внутриклеточного гомеостаза
   
3. 
   Участие в процессе возбуждения
   
4. 
   Фото - , механо -, хеморецепция.
   
5. 
   Всасывание
   
6. 
   Секреция и газообмен
   
7. 
   Тканевое дыхание
   
8. 
   Запас и трансформация энергии.
   

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

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

Белковые молекулы выполняют роль каналов рецепторов, насосов, ферментов.

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

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

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

Натриевый канал – тетродотоксин. Калиевый канал – тетраэтиламмоний.

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

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

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

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

Различают:

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

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

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

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

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

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

При возбуждении в клетке происходят различные изменения:

1. 
   Структурные: меняется строение мембран, пор, каналов;
   
2. 
   Физические: температура цитоплазмы; повышается вязкость; меняется электрический заряд мембран (генерируются электрические потенциалы);
   
3. 
   Химические: распад АТФ и освобождение энергии;
   
4. 
   Функциональные: проведение возбуждения по нерву, сокращение мышц, выделение секрета.
   

а) надежным (единственное средство обнаружения деятельности);

б) универсальным (сопоставимость);

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

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

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

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

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

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

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

После этого открытия электрофизиологический метод исследования возбуждения является важнейшим.

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

(внутриклеточная регистрация биопотенциалов).

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

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

Смещение мембранного потенциала кверху - деполяризация;

Смещение мембранного потенциала книзу – гиперполяризация.

Величина мембранного потенциала отличается у клеток разных тканей:

нервные клетки 60 – 80 мВ

скелетная мышца – 80 – 90 мВ

сердечная мышца 90 – 95 мВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ответы клетки при действии на нее допороговых раздражений могут суммироваться.

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

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

Потенциал действия – это всегда распространяющееся возбуждение.

Показатель возбудимости – порого раздражения.

Раздражители могут быть:

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

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

• 
  действуют при малой силе (не вредит)
  
• 
  можно быстро начать и прекратить
  
• 
  легко дозировать по силе, длительности, ритму.
  

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

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

1. 
   Отрицательный следовый потенциал (следовая деполяризация);
   
2. 
   Положительный следовый потенциал (следовая гиперполяризация).
   

Нервные клетки 110 –100 мВ

Скелетные и сердечные мышцы 110 – 120 мВ.

Продолжительность потенциалов действия:

Нервные клетки 1 –2 мс

Скелетные мышцы 3 – 5 мс

Мышцы сердца 50 –600 мс.

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

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

1. 
   Ответ на допороговые раздражители
   
2. 
   Медленная деполяризация
   
3. 
   Амплитуда 20 мВ
   
4. 
   Способность к суммации
   
5. 
   На высоте возбуждения возбудимость повышена
   
6. 
   Зависимость от силы раздражителя или от квантов медиатора (градуальная деполяризация)
   
7. 
   Не подчиняется закону “все или ничего”
   
8. 
   Нет специфической реакции.
   

1. 
   Ответ на пороговые и сверхпороговые стимулы
   
2. 
   Быстрая деполяризация
   
3. 
   Амплитуда 100 – 120 мВ
   
4. 
   Суммация невозможна
   
5. 
   На высоте возбуждения возбудимость отсутствует
   
6. 
   Подчиняется закону “все или ничего”
   
7. 
   Вызывает специфическую реакцию.
   

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

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

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

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

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

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

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

• 
  электрокардиография
  
• 
  электромиография
  
• 
  электроэнцефалография
  
• 
  электрогастрография.
  

1. 
   Закон силы.
   

- это та наименьшая величина раздражителя, при действии которой потенциал покоя может сместиться до уровня критической деполяризации.

- это та критическая величина деполяризации клеточной мембраны, при которой активируется перенос ионов натрия внутрь клетки.
2. Зависимость пороговой силы стимула от его длительности.

Пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. Эта зависимость, открытая Гоорвегом, Вейсом, Лапиком получила название кривой “сила – длительность” или “сила – время”.

Кривая “силы – времени” имеет форму, близкую к равносторонней гиперболе и в первом приближении может быть описана эмпирической формулой:

I= a + b , где I – сила тока

T T – длительность его действия

а, b – постоянные, определяемые свойствами ткани.

Из этой кривой следует:

1. 
   Ток величиной ниже порога не вызывает возбуждения, как бы длительно он не действовал.
   
2. 
   Какой бы сильный не был раздражитель, но если он действует очень короткое время, то возбуждение не возникает.
   

Наименьшее время, в течение которого должен действовать стимул в одну реобазу, чтобы вызвать возбуждение – полезное время. Дальнейшее его увеличение не имеет значения для возникновения возбуждения.

Порог (реобаза) – величины непостоянные, зависят от функционального состояния клеток в покое.

Поэтому Лапик предложил определять более точный показатель – хронаксию.

Определение хронаксии – хронаксиметрия – получило распространение в клинике для диагностики повреждения нервных стволов и мышц.

Порог раздражения имеет наименьшую величину при толчках электрического тока прямоугольной формы, когда сила нарастает очень быстро.

При уменьшении крутизны нарастания стимула ускоряются процессы инактивации натриевой проницаемости, приводящие к повышению порога и снижению амплитуды потенциалов действия.

Чем круче должен нарастать ток, чтобы вызвать возбуждение, тем выше скорость аккомодации.

Очень мала скорость аккомодации тех образований, которые склонны к автоматической деятельности (миокард, гладкие мышцы).

3. 
   Закон “ все или ничего”.
   

При подпороговой силе раздражения мышца сердца не сокращается, а при пороговой силе раздражения – сокращение максимально.

При дальнейшем увеличении силы раздражения амплитуда сокращений не увеличивается.

Со временем была установлена и относительность этого закона. Оказалось, что “все” зависит от функционального состояния ткани (охлаждение, исходное растяжение мышцы и т. д.).

С появлением микроэлектродной техники было установлено еще одно несоответствие: подпороговое раздражение вызывает местное, нераспространяющееся возбуждение, следовательно, нельзя говорить, что допороговое раздражение не дает ничего.

Процесс развития возбуждения подчиняется этому закону с уровня критической деполяризации, когда запускается лавинообразное поступление ионов калия в клетку.

4. 
   Изменение возбудимости при возбуждении.
   

Потенциал действия сопровождается многофазными изменениями возбудимости.

1. 
   Период повышенной возбудимости соответствует локальному ответу, когда мембранный потенциал достигает УКД, возбудимость повышена.
   
2. 
   Период абсолютной рефрактерности соответствует фазе деполяризации потенциала действия, пику и началу фазы реполяризации, возбудимость снижена вплоть до полного отсутствия во время пика.
   
3. 
   Период относительной рефрактерности соответствует оставшейся части фазы реполяризации, возбудимость постепенно восстанавливается к исходному уровню.
   
4. 
   Супернормальный период соответствует фазе следовой деполяризации потенциала действия (отрицательный следовый потенциал), возбудимость повышена.
   
5. 
   Субнормальный период соответствует фазе следовой гиперполяризации потенциала действия (положительный следовый потенциал), возбудимость снижена.
   
6. 
   Лабильность (функциональная подвижность).
   

Например, можно говорить о максимальной частоте раздражения, которую возбудимая ткань способна воспроизводить без трансформации ритма.

Мерой лабильности могут служить:

• 
  длительность отдельного потенциала
  
• 
  величина абсолютной рефрактерной фазы
  
• 
  скорость восходящей и нисходящей фаз ПД.
  

Можно измерять лабильность мембран, клеток, органов. Причем, в системе из нескольких элементов (тканей, органов, образований) лабильность определяется по участку с наименьшей лабильностью:

7. 
   Полярный закон раздражения (закон Пфлюгера).
   

1. 
   Постоянный ток проявляет свое раздражающее действие только в момент замыкания и размыкания цепи.
   
2. 
   При замыкании цепи постоянного тока возбуждение возникает под катодом; при размыкании по анодом.
   

При замыкании цепи постоянного тока под катодом (действуют допороговым, но продолжительным раздражителем) на мембране возникает стойкая длительная деполяризация, которая не связана с изменением ионной проницаемости мембраны, а обусловлена перераспределением ионов снаружи (привносятся на электроде) и внутри – катион перемещается к катоду.

Вместе со смещением мембранного потенциала смещается и уровень критической деполяризации – к нулю. При размыкании цепи постоянного тока под катодом мембранный потенциал быстро возвращается к исходному уровню, а УКД медленно, следовательно, порог увеличивается, возбудимость снижается – катодическая депрессия Вериго. Таким образом, ввозникает только при замыкании цепи постоянного тока под катодом.

Изменение возбудимости под анодом.

При замыкании цепи постоянного тока под анодом (допороговый, продолжительный раздражитель) на мембране развивается гиперполяризация за счет перераспределения ионов по обе стороны мембраны (без изменения ионной проницаемости мембраны) и возникающее за ней смещение уровня критической деполяризации в сторону мембранного потенциала. Следовательно, порог уменьшается, возбудимость повышается – анодическая экзальтация.

При размыкании цепи мембранный потенциал быстро восстанавливается к исходному уровню и достигает сниженного уровня критической деполяризации, генерируется потенциал действия. Таким образом, возбуждение возникает только при размыкании цепи постоянного тока под анодом.

Сдвиги мембранного потенциала вблизи полюсов постоянного тока получили название электротонических.

Сдвиги мембранного потенциала не связанные с изменением ионной проницаемости мембраны клетки называют пассивными.
ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ.

Потенциал действия – волна возбуждения, распространяющаяся по мембранам нервных и мышечных клеток.

ПД –обеспечивает передачу информации от рецепторов к нервным центрам и от них к исполнительным органам.

Синоним ПД –нервный импульс, спайк. Сложная информация о действующих на организм раздражениях кодируется в виде отдельных групп потенциалов действия – рядов.

Согласно закону “все или ничего” амплитуда и длительность отдельных потенциалов действия постоянны, а частота и количество в ряду зависит от интенсивности раздражения.

Такой способ кодирования информации и ее передачи является наиболее психоустойчивым.

В живых организмах информация может передаваться и гуморальным путем.

Преимущества ПД.

1. 
   Имформация более целенаправлена
   
2. 
   Передается быстро
   
3. 
   Адресат точно известен
   
4. 
   Информация может быть точнее закодирована.
   

Наступающая после возбуждения в данном участке мембраны рефрактерность, обусловливает поступательное движение ПД.

Конкретные особенности распространения возбуждения связаны со строением мембраны клетки, нервных волокон.

По мембранам мышечных клеток и в безмякотных нервных волокнах возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны.

В волокнах, покрытых миелиновой оболочкой, потенциал действия может распространяться только скачкообразно (сальтаторно), перепрыгивая через участки волокна, покрытые шванновскими клетками, с одного перехвата Ранвье на другой.

Перехваты Ранвье представляют собой своеобразные станции ретрансляции, постоянно усиливающие сигнал, не давая ему угаснуть.

1. 
   В перехватах Ранвье, свободных от миелина, сопротивление электрическому току минимально;
   
2. 
   Порог раздражения в перехватах Ранвье минимальный;
   
3. 
   Амплитуда ПД в каждом перехвате в 5 – 6 раз превышает порог в соседнем перехвате;
   
4. 
   Велика плотность натриевых каналов на мембране перехвата.
   

Таким образом, скорость проведения возбуждения по нервному волокну зависит от диаметра волокон и наличия перехватов Ранвье.

Стр. 71 – 72 учебника Косицкого.

1. 
   Наблюдается в безмиелиновых волокнах;
   
2. 
   Скорость проведения невелика;
   
3. 
   По мере удаления от места возникновения раздражающее действие местных токов постепенно уменьшается вплоть до полного угасания;
   
4. 
   Свойственно волокнам, которые иннервируют внутренние органы, обладающие низкой функциональной активностью.
   

1. 
   ПД проходит весь путь от места раздражения до места реализации без затухания.
   
2. 
   Характерно для миелиновых и тех безмиелиновых волокон, которые передают сигналы к органам, обладающими высокой реактивностью (сердце).
   

1. 
   Закон анатомической и физиологической непрерывности волокна.
   

2. 
   Закон двустороннего проведения возбуждения
   

Однако, в целом организме по рефлекторной дуге возбуждение всегда распространяется в одном направлении: от рецептора к эфеектору.

ПРИЧИНЫ:

1. 
   Возбуждение всегда возникает при раздражении специфических рецепторов;
   
2. 
   Рефрактерность во время возбуждения обусловливает поступательное движение;
   
3. 
   В рефлекторной дуге возбуждение с обной нервной клетки на другую передается в синапсах с помощью медиатора, который может выделяться только в одном направлении.
   

Передача возбуждения на большие расстояния невозможна из-за значительной потери тока во внеклеточной среде.