2 курс / Нормальная физиология / НОРМАЛЬНАЯ ФЗЛ 1

Физиология возбудимых тканей

ляются за счет энергии гидролиза АТФ, поэтому называются активными. Транс-

порт ионов через мембрану клетки осуществляется с помощью Na-К-АТФ-азы.

Это интегральный белок плазматической мембраны с ферментативной активно-

стью. Обладая способностью фосфорилироваться и дефосфорилироваться, фер-

мент может находиться в двух конформационных состояниях, в которых облада-

ет сродством либо к иону натрия, либо к иону калия.

Активность Na-К-насоса регулируется внутриклеточной концентрацией ионов натрия. Скорость работы насоса замедляется при снижении концентрации ионов Na+, подлежащих выводу из клетки. Значение Na-К-насоса заключается в том, что, во-первых, он создает и поддерживает трансмембранный градиент кон-

центраций ионов натрия и калия; во-вторых, за один цикл работы Na-К-насос из клетки выкачивает три иона Na+ и закачивает в клетку два иона К+, то есть из клетки удаляется один положительный заряд; таким образом, насос является электрогенным: создает электрический ток через клеточную мембрану, что при-

водит к увеличению электроотрицательности МПП на 10 мВ.

2.3.ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

2.3.1.Понятие о потенциале действия, природа его возникновения

Потенциал действия (ПД) – это быстрые и кратковременные колебания мембранного потенциала покоя (МПП) в положительном направлении, возни-

кающие при возбуждении нервных и мышечных волокон. На экране осцилло-

графа при внутриклеточном способе регистрации потенциал действия имеет форму одиночного пика. При этом потенциал резко нарастает от отрицательного значения МПП до положительного пика, соответствующего 30 – 50 мВ. Затем потенциал с различной скоростью возвращается к уровню МПП. Уменьшение МПП называется деполяризацией, восстановление исходного значения МПП -

реполяризацией. Потенциал действия имеет стандартную амплитуду и времен-

ные параметры, не зависящие от силы вызывающего его раздражителя. Важно лишь, чтобы эта сила была не менее некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Амплитуда потенциала действия колеблется в

31

https://t.me/medicina_free

Глава 2

пределах 120 – 140 мВ, длительность ПД составляет 1 мс в нервных волокнах и 10 мс в скелетной мышце. Возникнув в месте раздражения, потенциал дейст-

вия распространяется вдоль нервных и мышечных волокон, не изменяя своей амплитуды. Наличие порога и независимость амплитуды от силы вызвавшего его стимула получили название закона «все или ничего».

По современным представлениям, в основе возникновения потенциала действия лежит увеличение проницаемости клеточной мембраны для ионов натрия. Натриевая проницаемость клеточной мембраны очень быстро увеличи-

вается в 400–500 раз и в 10–15 раз превышает проницаемость мембраны для ио-

нов калия. В результате этого входящий ток натрия в клетку намного пре-

вышает выходящий ток калия из клетки.

Доказательства натриевой природы ПД были получены в опытах Ход-

жкина, который показал, что, варьируя концентрацию ионов натрия, можно из-

менить величину ПД. Оказалось, что при замене 2/3 морской воды, которая яв-

ляется нормальной окружающей средой для гигантского аксона кальмара, на изотонический раствор декстрозы, то есть при изменении концентрации ионов натрия в окружающей среде на 2/3, потенциал действия уменьшается наполови-

ну.

2.3.2. Компоненты потенциала действия

Потенциал действия имеет сложный ионный механизм и состоит из сле-

дующих компонентов: 1) местные колебания МПП (локальный ответ);

2) спайк (высоковольтный пиковый потенциал): восходящее его колено - фа-

за деполяризации, нисходящее - фаза реполяризации; 3) следовые потенциалы:

отрицательный и положительный (рис. 2.3).

В основе местных колебаний МПП лежит частичная деполяризация клеточной мембраны в ответ на действие раздражителя подпороговой силы.

Начальная деполяризация, вызванная раздражающим стимулом, обеспечивает активацию лишь небольшого количества натриевых каналов (за счет открытия быстрых активационных ворот). Ионы натрия путем простой диффузии частично поступают в клетку, увеличивая степень частичной деполяризации.

32

https://t.me/medicina_free

Физиология возбудимых тканей

Рис. 2.3. Схема потенциала действия, зарегистрированного с помощью внутриклеточного микроэлектрода: а – местные колебания мембранного потенциала; b – восходящая часть пика потенциала действия (фаза деполяризации); с – нисходящая часть пика потенциала действия (фаза реполяризации); d – отрицательный следовой потенциал; е – положительный следовой потенциал. Стрелкой показан момент нанесения раздражения

При этом мембранный потенциал уменьшается и стремится приблизиться к критическому уровню деполяризации (КУД). Критический уровень деполяризации – это такое количество милливольт, до которого нужно сдвинуть МП, чтобы началось лавинообразное поступление ионов натрия в клетку. При действии раздражителя подпороговой силы между уровнем МП и натриевой проницаемостью имеется прямо пропорциональная зависимость: чем меньше уровень МП, тем большее число натриевых каналов открывается и тем сильнее входящий ток ионов Na+ в клетку, увеличивающий степень деполяризации.

Фаза деполяризации возникает в том случае, если раздражитель стано-

вится равным пороговой величине, а МП при этом сдвигается до КУД. Достиже-

ние мембранным потенциалом критического уровня деполяризации ведет к от-

крытию значительного количества новых натриевых каналов, т.е. к дальнейшему увеличению входящего натриевого тока в клетку, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны, что обусловливает еще большее повышение натрие-

вой проницаемости и т.д. Такой круговой лавинообразный процесс получил на-

звание регенеративной (самообновляющейся) деполяризации. Схематически он может быть изображен следующим образом:

Раздражитель Деполяризация мембраны

Входящий Na-ток Повышение Na-проницаемости

Установлено, что во время фазы деполяризации за счет лавинообразного тока натрия в клетку происходит не просто исчезновение МПП, а возникает раз-

ность потенциалов обратного знака: внутренняя поверхность клеточной мембра-

33

https://t.me/medicina_free

Глава 2

ны на короткое время заряжается положительно относительно наружной. Иными

словами, происходит реверсия заряда, одновременно происходит превыше-

ние амплитуды ПД относительно уровня МПП на 20–50 мВ - «овершут».

При этом потенциал внутренней поверхности клеточной мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциа:

ENa RTnF x ln NaONaI ,

где NaO – наружная, а NaI – внутренняя концентрация ионов натрия.

При наблюдаемом соотношении NaO/NaI =10, ЕNa = 55 мВ. Эта величи-

на является предельной для потенциала действия.

Рост потенциала действия во время фазы деполяризации в конечном итоге прекращается, и этому способствуют следующие причины: 1) активация натрие-

вых каналов во время деполяризации сменяется их инактивацией за счет закры-

тия медленных инактивационных ворот; 2) развивается новое электрохимиче-

ское равновесие по иону Na+, при этом: сколько ионов натрия войдет в клетку путем простой диффузии, ровно столько же выйдет из клетки путем электроста-

тического отталкивания; в итоге ток ионов натрия в клетку резко ослабевает.

Фаза реполяризации (восстановление исходного уровня МПП) осущест-

вляется за счет следующих причин: 1) резко снижается натриевая проницаемость мембраны за счет инактивации натриевых каналов; 2) деполяризация клеточной мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия; ионы калия путем простой диффузии выходят из клетки и стремятся сместить мембранный потен-

циал в сторону калиевого равновесного потенциала; 3) к моменту реполяризации активируется работа Na-К-насоса, который усиливает выходящий ток ионов на-

трия из клетки.

В итоге выходящий ток ионов (К и Na ) превышает входящий ток ионов натрия в клетку, что обеспечивает реполяризацию клеточной мембраны: внут-

реннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательное значение по отно-

шению к наружному раствору.

Следовые потенциалы связаны с восстановительными процессами, мед-

34

https://t.me/medicina_free

Физиология возбудимых тканей

ленно развивающимися в нервных и мышечных волокнах по окончании процес-

са возбуждения, имеют низкую амплитуду – несколько милливольт и более про-

должительны, чем ПД. Длительность следовых потенциалов может колебаться в весьма широких пределах – от нескольких миллисекунд до нескольких десятков и даже сотен миллисекунд. В основе отрицательного следового потенциала

лежит частичная деполяризация клеточной мембраны за счет частичного посту-

пления ионов натрия в клетку. Причиной положительного следового потен-

циала является гиперполяризация клеточной мембраны вследствие сохраняю-

щейся повышенной проницаемости для ионов калия.

2.3.3. Способы регистрации потенциала действия

Потенциал действия можно зарегистрировать двумя способами: внекле-

точным и внутриклеточным.

При внеклеточном способе регистрации отводящие электроды, связан-

ные регистрирующей аппаратурой, располагаются на наружной поверхности клеточной мембраны нервного или мышечного волокна. При нанесении элек-

трического стимула пороговой или сверхпороговой силы на экране осциллогра-

фа регистрируется двухфазное колебание потенциала.

2.3.4. Фазовые изменения возбудимости при генерации потенциала действия

Развитие в нервном или мышечном волокне потенциала действия сопровождается выраженными изменениями возбудимости, которые происходят по определенным фазам. Для их изучения нерв или мышцу подвергают действию двух коротких, но сильных электрических раздражителей, следующих друг за другом через определенные интервалы времени.

Различают следующие фазы изменения возбудимости: 1) начальное по-

вышение возбудимости; 2) рефрактерный период, который подразделяется на абсолютный и относительный; 3) супернормальный период, или фаза экзальта-

ции; 4) субнормальный период возбудимости (рис. 2.4).

Начальное повышение возбудимости соответствует местным колебани-

35

https://t.me/medicina_free

Глава 2

Рис. 2.4. Изменения возбудимости нервного волокна в различных фазах потенциала действия и следовых изменений мембранного потенциала (по Моргану).

Для наглядности длительность первых двух фаз на каждой кривой несколько увеличена; пунктирной линией на рисунке А обозначен потенциал покоя, на рисунке Б – исходный уровень возбудимости

ям мембранного потенциала и обусловлено частичной деполяризацией клеточ-

ной мембраны вследствие ограниченного поступления ионов натрия в клетку. В

этой фазе возбудимости реакция ткани может наблюдаться даже на подпорого-

вый раздражитель.

Абсолютный рефрактерный период характеризуется резким кратковре-

менным снижением возбудимости ткани и отсутствием ответной реакции на действие даже сверхпорогового раздражителя. Абсолютный рефрактерный пе-

риод соответствует восходящему колену спайка – фазе деполяризации и обу-

словлен инактивацией натриевых каналов на пике ПД.

Относительный рефрактерный период характеризуется постепенным восстановлением возбудимости и возможностью ответной реакции ткани на дей-

ствие только сверхпороговых раздражителей. Относительный рефрактерный пе-

риод соответствует нисходящему колену спайка и обусловлен превышением вы-

ходящего тока ионов из клетки (К+ и Na+) над входящим током ионов Na+ в

клетку.

Фаза экзальтации (супернормальный период) характеризуется повы-

шением возбудимости ткани. В этот период ткань отвечает возникновением воз-

36

https://t.me/medicina_free

Физиология возбудимых тканей

буждения даже на действие раздражителя подпороговой (для исходного состоя-

ния) силы. Фаза экзальтации соответствует отрицательному следовому потен-

циалу и обусловлена частичной деполяризацией клеточной мембраны за счет не-

значительного поступления ионов Na в клетку.

Субнормальный период характеризуется снижением возбудимости и способностью ткани отвечать волной возбуждения на действие только сверхпо-

роговых раздражителей. Субнормальный период возбудимости соответствует положительному следовому потенциалу и обусловлен гиперполяризацией кле-

точной мембраны вследствие повышенной ее проницаемости для ионов К .

2.4. ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН. ПРОВЕДЕНИЕ ИМПУЛЬСА ПО НЕРВНОМУ ВОЛОКНУ

2.4.1. Понятие о нерве, нервном волокне, физиологические свойства нервных волокон

Нерв, или нервный ствол, представляет собой сложное образование, со-

стоящее из большого количества нервных волокон, заключенных в общую со-

единительнотканную оболочку. Нервные волокна – это длинные отростки (ак-

соны) нервных клеток, которые проводят возбуждение в центральную нервную систему (афферентные волокна) или от нее – на периферию (эфферентные во-

локна). Нервы, как правило, являются смешанными, так как в их состав входят афферентные и эфферентные нервные волокна.

Нервные волокна, как и все возбудимые структуры, обладают следующи-

ми физиологическими свойствами: возбудимостью, проводимостью, реф-

рактерностью, лабильностью. При сравнении основных физиологических свойств нервной и мышечной ткани установлено, что возбудимость, проводи-

мость и лабильность нервного волокна выше, а рефрактерный период короче,

чем у мышечной ткани. Это обусловлено более высоким уровнем обменных процессов в нерве. Так, абсолютный рефрактерный период мякотного нервного волокна продолжается 0,002 с, а скелетной мышцы – 0,005 с. Лабильность двига-

тельного нерва нервно-мышечного препарата лягушки составляет 500–1000

имп/с, мышцы – 200–250 имп/с.

37

https://t.me/medicina_free

Глава 2

2.4.2. Механизм проведения возбуждения по нервным волокнам

Специализированной функцией нервных волокон является проведение возбуждения.

В 50–60 годах ХХ столетия А.Л. Ходжкин, Б. Катц, И. Тасаки теоретиче-

ски разработали и экспериментально подтвердили кабельную теорию, которой постулируется, что нерв – это электрический кабель, погруженный в жидкость,

обладающую высокой электропроводностью.

Между возбужденным и невозбужденным участками нервного волокна возникают так называемые малые, или круговые, токи, которые распростра-

няются в аксоплазме и в окружающей жидкости от положительно заряженного участка клеточной мембраны к отрицательному. Следовательно, токи входят в возбужденный участок (А) нервного волокна, а выходят из невозбужденного (Б).

Выходящий ток последовательно возбуждает (деполяризует) участки нервного волокна (1-й, 2-й и т.д.). По мере удаления от очага возбуждения раздражающее действие круговых токов ослабевает и они становятся неспособными вызвать возбуждение (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Проведение возбуждения по нервному волокну за счет малых круговых токов Стрелки показывают направление движения малых круговых токов внутри волокна и в окружающей жидкости; А – возбужденный участок, Б – невозбужденный участок

Скорость проведения возбуждения по нервным волокнам зависит от

диаметра и гистологических особенностей строения нервных волокон

(наличия или отсутствия миелиновой оболочки). Чем больше диаметр нервного волокна, тем больше скорость проведения возбуждения, поскольку с увеличением диаметра уменьшается внутреннее сопротивление волокна

(сопротивление аксоплазмы на единицу длины). Так, скорость распространения

38

https://t.me/medicina_free

Физиология возбудимых тканей

возбуждения по нервным волокнам с диаметром 12–22 мкм составляет 70–120

м/с, а по нервным волокнам с диаметром 8–12 мкм – 40–70 м/с.

В зависимости от гистологических особенностей строения нервные во-

локна делятся на мякотные (миелинизированные) и безмякотные (немиели-

низированные). Обычно нервы включают как мякотные, так и безмякотные нервные волокна. Однако соотношение между ними в разных нервах различное.

Так, в нервах вегетативной нервной системы количество безмякотных нервных волокон достигает 80–95%. В нервах, иннервирующих скелетные мышцы, на-

оборот, преобладают миелинизированные нервные волокна.

Немиелинизированное нервное волокно состоит из осевого цилиндра,

содержимое которого – аксоплазма и внутриклеточные органеллы – заключено в поверхностную плазматическую мембрану. Осевой цилиндр безмякотного нервного волокна покрыт шванновскими клетками (леммоцитами). Между шванновской клеткой и осевым цилиндром имеется щель 15 нм, которая запол-

нена межклеточной жидкостью, в связи с чем поверхностная мембрана осевого цилиндра сообщается с окружающей нервное волокно средой (межклеточной жидкостью).

В безмякотных нервных волокнах возбуждение распространяется по меха-

низму малых круговых токов непрерывно вдоль всей мембраны, от одного воз-

бужденного участка к другому, расположенному рядом. Непрерывное проведе-

ние возбуждения характеризуется малой скоростью, значительными энергети-

ческими затратами и постепенным затуханием в пространстве.

Миелинизированное нервное волокно состоит из осевого цилиндра и покрывающей его миелиновой оболочки. Она создается в результате того, что шванновская клетка многократно обертывает осевой цилиндр; слои ее сливают-

ся, образуя плотный жировой футляр. Миелиновая оболочка покрывает осевой цилиндр нервного волокна не на всем протяжении. Через промежутки равной длины она прерывается, оставляя открытыми участки осевого цилиндра - перехва-

ты Ранвье (узловые перехваты) шириной около 1 мкм (рис. 2.6).

39

https://t.me/medicina_free

Глава 2

Рис. 2.6. Строение миелинизированного нервного волокна (схема): 1 – ядро шванновской клетки; 2 – шванновская оболочка; 3 – миелин;

4 – перехват Ранвье; 5 – аксоплазма

Миелиновая оболочка выполняет двоякую функцию: трофическую и

функцию электрического изолятора. Трофическая функция миелиновой оболочки состоит в том, что она принимает участие в процессах регуляции об-

мена веществ и роста осевого цилиндра. Изолирующее свойство миелиновой оболочки связано с тем, что миелин, как вещество липидной природы, препят-

ствует прохождению ионов и поэтому обладает очень высоким сопротивлением.

Благодаря существованию миелиновой оболочки возникновение и проведение возбуждения в мякотном нервном волокне возможно не на всем протяжении осевого цилиндра, а только в перехватах Ранвье, то есть скачкообразно, «пере-

прыгивая» через участки волокна, покрытые миелиновой оболочкой. Такое про-

ведение возбуждения называется сальтаторным.

Показано, что потенциалы действия в этих волокнах возникают только в перехватах Ранвье, а межперехватные участки, покрытые миелиновой оболочкой, являются практически невозбудимыми. В состоянии покоя наружная поверхность возбудимой мембраны в перехватах Ранвье заряжена положительно. Разности потенциалов между соседними перехватами не существует. При нанесении раздражения возникает деполяризация мембраны в области ближайшего перехвата Ранвье – А (рис. 2.7). Она становится заряжен -

Рис. 2.7. Скачкообразное распространение возбуждения в мякотном нервном волокне от перехвата к перехвату:

Стрелками показано направление тока, возникающего между возбужденным (А) и соседним покоящимся (Б) перехватом

40

https://t.me/medicina_free