6.ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

6.1.ПОНЯТИЕ О ВОЗБУДИМОСТИ И ВОЗБУЖДЕНИИ

Согласно современным представлениям, возбудимость является вариантом более широкого понятия «раздражимость», т.е. способность живой структуры активно менять свою жизнедеятельность под влиянием раздражителей, которыми являются факторы внешней и внутренней среды. Если к адекватным раздражителям ткань эволюционно приспособлена, то к неадекватным – нет. Поэтому чувствительность тканей к неадекватным раздражителям во много раз меньше.

В свою очередь, комплекс метаболических, функциональных и структурных изменений, возникающих в живом объекте при действии раздражителя, называется раздражением. Происходящая в процессе эволюции дифференцировка тканей животных привела к тому, что в трёх из них (нервная, мышечная, железистая) раздражимость получила наивысшее выражение, получившее название возбудимости.

Возбудимость – это способность специализированной ткани от-

вечать процессом возбуждения на действия раздражителя. Возбуждение – это процесс электрического, сократительного и

секреторного ответа специализированных тканей на действие раздражителя, в котором обязательным компонентом является быстрое колебание электрического потенциала клеточной мембраны.

Универсальным признаком всех живых клеток (возбудимых и невозбудимых) является наличие разницы потенциалов между различными участками живой клетки и окружающей средой. Между водными фазами, разделяемыми мембранами, выявляются разности потен-

циалов, называемыми мембранными потенциалами (МП). Клеточ-

ный мембранный потенциал определяют φm как разницу между внутриклеточным содержимым φin и окружающей средой φout (φm = φin – φout). Митохондриальный потенциал φmt – это разность потенциалов между матриксом митохондрий φmm и внутриклеточной средой φi (φmt = φmm – φ). Кроме трансмембранной разности потенциалов существует разность электрических потенциалов между липидной фазой мембраны и омывающим водным раствором (межфазный потенциал).

6.2. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Мембранный потенциал покоя (МПП) – трансмембранный потенциал между двумя прилегающими к плазмолемме водными фазами (внеклеточной и внутриклеточной), регистрируемый до

62

начала действия раздражителя. Внутриклеточно прилегающая жидкость заряжена отрицательно по отношению к внеклеточно прилегающей жидкости, потенциал которой принимается за ноль. МПП (φm)

определяется как разность потенциалов между внутриклеточным содержимым (φin) и окружающей средой (φout). φm = φin – φout.

Функциональная роль МПП:

а) создаёт электрическое поле высокого напряжения, влияющее на функциональную активность компонентов клеточной мембраны;

б) создаёт основу для других биопотенциалов клетки.

Условиями формирования МПП является:

1)наличие градиентов концентрации ионов между внутриклеточной и межклеточной средой;

2)разная проницаемость мембран для ионов.

Ведущие механизмы формирования МПП:

I. Диффузия К+ из клетки по каналам утечки до достижения равновесного потенциала (ЕК+ = –94 мВ), она прекращается. Ведущая роль К+ обусловлена тем, что его концентрация внутри клетки значительно превосходит его содержание снаружи, из-за чего он имеет возможность диффундировать из неё через клеточную мембрану по градиенту концентрации. Поскольку её проницаемость для анионов чрезвычайно мала, они не могут выходить вслед за ионами К+, накапливаясь у внутренней поверхности мембраны клетки. В результате формируется отрицательный межклеточный заряд.

II. Электрогенная роль К+,Na+-насоса, который не только созда-

ёт градиент иона К+ по обе стороны клеточной мембраны, закачивая калий внутрь клетки, но благодаря своей асимметричной работе, формирует отрицательный внутриклеточный заряд. Ассиметричная работа К+,Na+-насоса заключается в том, что выводя из клетки 3 иона Nа+ он возвращает внутрь только 2 иона К+. Вклад К+,Na+-насоса в формировании МПП напрямую зависит от величины сопротивления клеточной мембраны (Rм): если в мышечных клетках тонкой кишки Rм ≈ 25 000 Ом/см2 вклад Na–K- насоса в формирование МПП составляет 40%, тогда как в аксоне кальмара, где Rм ≈ 1000 Ом/см2 только 3%. Величина МПП в эритроцитах (невозбудимые клетки) ≈ –10 мВ, тогда как в клетках проводящей системы сердца (волокна Пуркинье) ≈ –100 мВ.

Равновесный потенциал – это потенциал, при котором возни-

кает равенство двух сил: силы перемещения иона по химическому градиенту и противоположной по направлению электростатической (разность зарядов) силы. Равновесный потенциал рассчитывается по уравнению Нернста:

63

состояния деполяризации к исходному уровню и Овершут – « перескок» через ноль с перезарядкой мембраны.

мВ

0

1

2

МПП

– 70

3

Рис. 6.1. Сдвиги мембранного потенциала покоя (МПП):

1 – деполяризация; 2 – реполяризация; 3 – гиперполяризация (цит. по В.Н. Яковлеву с соавт., 2005)

6.3.РОЛЬ ИОНОВ НАТРИЯ, КАЛЬЦИЯ И АНИОНОВ ХЛОРА

ВФОРМИРОВАНИИ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

Ионы натрия (Na+). Хотя проницаемость клеточной мембраны для Na+ в покое мала, некоторое его количество проникает через клеточную мембрану внутрь клетки по градиенту концентрации как путём диффузии, так и через ионные каналы. В результате МПП более позитивен (поляризация мембраны меньше) по сравнению с уровнем ЕК.

Ионы кальция (Са+). В состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для Са+ очень мала, а его концентрация внутри и вне клетки

64

значительно меньше чем концентрация К+, Na+ и Сl– . В связи с тем, что диффузия иона через мембрану пропорциональна произведению его концентрации на проницаемость мембраны, то непосредственная роль Са+ в формировании МПП незначительна. Однако внутриклеточный Са+, увеличивая порог активации Na+-каналов, тормозит поступление Na+в клетку, стабилизируя МПП.

Анионы хлора (Сl– ). Проницаемость клеточной мембраны для Сl– значительно выше чем для Na+. По сравнении с калиевой проницаемостью она может быть ниже (например, в нейронах) или выше (например в миоцитах), но ниже чем для К+. Из этого следует, что в покое клеточная мембрана имеет значительное количество открытых Сl– -каналов. Поскольку для Сl– насоса не существует, то они пассивно распределяются по обе стороны клеточной мембраны в соответствии с мембранным потенциалом. Из этого следует, что внутриклеточный Сl– испытывает электростатическую силу, направленную на удаление его из клетки, которое будет осуществляться до тех пор, пока равновесный потенциал Сl– не сравняется с МПП.

6.4. ЛОКАЛЬНЫЙ ОТВЕТ (ПРЕПОТЕНЦИАЛ)

При действии на клетку подпороговых раздражителей развивается локальный ответ (препотенциал), имеющий две фазы: деполяризацию и реполяризацию. Препотенциал начинается с чисто физической деполяризации мембраны, вызывающей сдвиг мембранного потенциала в положительную сторону. В результате этого открываются потенциалзависимые Na+-каналы и, как следствие, усиление поступления в клетку Na+. При достижении определённой величины МП открываются потенциалзависимые К+-каналы и начинается усиленный выход ионов К+ из клетки, обуславливая начало фазы реполяризации, т.е. возврат МП к исходному состоянию. Во время формирования препотенциала входящий в клетку Na+-ток меньше, чем выходящий из клетки К+-ток + ток утечки.

Препотенциал имеет следующие свойства:

1)его амплитуда зависит от силы раздражителя (закон силы);

2)способен к суммации;

3)его формирование сопровождается увеличением возбудимости;

4)распространяется на небольшие (не > 1 мм) расстояния с затуханием амплитуды.

Основное предназначение препотенциала заключается в депо-

ляризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации, что необходимо для развития потенциала действия.

65