2 курс / Нормальная физиология / Нормальная_физиология_Дегтярева_В_П_,_Будылиной_С_М

Г л а в а 2 ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Организм человека обладает выраженной способностью адаптироваться к постоянно меняющимся условиям внешней среды. В основе приспособительных реакций организма лежит универсальное свойство живого объекта (клетки, ткани, органа и др.) — раздражимость, т.е. способность отвечать на действие раздражающих факторов изменением структурных и функциональных свойств. Раздражимостью обладают все ткани животных и растительных организмов. В процессе эволюции происходила постепенная дифференциация тканей. При этом раздражимость некоторых из них достигла наивысшего развития и трансформировалась в новое свойство — возбудимость. Этим термином обозначается способность ткани отвечать на раздражение специализированной реакцией — возбуждением.

Возбуждение — специализированная ответная реакция живого объекта на действие раздражителя, проявляющаяся в определенных изменениях его обменных, тепловых, электрических, морфологических и функциональных параметров. Возбудимостью обладают нервная, мышечная и железистая ткани; их объединяют понятием «возбудимые ткани». Для них специализированными ответными реакциями будут соответственно генерация и проведение возбуждения, сокращение, секреция. Возбудимость различных тканей неодинакова. Мерой возбудимости является порог раздражения — минимальная сила раздражителя, которая способна вызвать возбуждение (ответную реакцию). Менее сильные раздражители называются подпороговыми, а более сильные — сверхпороговыми.

Раздражителем живого объекта может быть любое изменение внешней или внутренней среды организма, если оно достаточно велико, возникло достаточно быстро и продолжается достаточно долго.

2.1. Классификация раздражителей

Все раздражители по их природе можно разделить на группы:

•физические (механические, термические, электрические, звуковые, световые);

•химические (основания, кислоты, гормоны, медиаторы, продукты обмена веществ и др.);

•физико-химические (изменение осмотического давления, рН среды, ионного состава и др.);

29

•биологические (антигены, токсины, микроорганизмы, алкалоиды);

•социальные (материальные блага, условия проживания, безопасность, уровень общественного признания, профессиональная принадлежность).

По степени приспособленности реакции биологических объектов к действию раздражителей все раздражители делят на адекватные и неадекватные.

•Адекватными называют те из них, к действию которых в процессе эволюции биологический объект был приспособлен

внаибольшей степени. Например, адекватным раздражителем для фоторецепторов является видимый свет, для барорецепторов — изменение давления, для скелетной мышцы — нервный импульс.

•Неадекватными называют такие раздражители, которые действуют на структуру, специально не приспособленную для реагирования на их действие. Например, адекватным раздражителем для скелетной мышцы является нервный импульс, но мышца может возбуждаться и при действии электрического тока, механического удара и др. Эти раздражители для скелетной мышцы являются неадекватными, и их пороговая сила в сотни или тысячи раз превышает пороговую силу адекватного раздражителя.

2.2. Биоэлектрические явления в живых тканях. Природа возбуждения

Первые попытки последовательной разработки учения о «животном электричестве» связаны с именем Л. Гальвани (1792). Он обратил внимание на сокращение мышц препарата задних лапок лягушки, подвешенного на медном крючке, при их прикосновении к железным перилам балкона. На основании этих наблюдений Л. Гальвани пришел к выводу, что сокращение мышц лапок вызвано «животным электричеством», которое возникает в спинном мозге и передается к ним по металлическим проводникам. Этот опыт в настоящее время известен как первый опыт Гальвани (опыт с металлами).

Физик А. Вольта, повторив опыт Л. Гальвани, пришел к заключению, что описанные явления не связаны с «животным электричеством». Источником тока, по его мнению, являлся не спинной мозг, как полагал Л. Гальвани, а разность потенциалов, образующаяся в месте контакта разнородных металлов — меди и железа. В ответ на эти возражения Л. Гальвани усовершенствовал опыт, исключив из него металлы. Он препарировал седалищный нерв вдоль бедра лапки лягушки, затем набрасывал его при помощи стеклянного крючка на мышцы

30

голени. При этом иногда возникало сокращение мышц. Этот опыт известен как второй опыт Гмъвани, или опыт без металлов.

Позже было выявлено, что сокращение мышц во втором опыте Гальвани возникало только тогда, когда нерв одновременно соприкасался с их поврежденной и неповрежденной поверхностями. В дальнейшем ряд остроумных экспериментов разных исследователей привел к окончательному утверждению мнения о наличии «сил животного электричества». К числу таких экспериментов следует отнести опыт «вторичного тетануса», полученного К. Маттеучи на мышце нервномышечного препарата, нерв которого контактировал с мышцей аналогичного препарата, раздражаемого прерывистыми сигналами. Еще более убедительным доказательством выглядят сокращения мышцы нервно-мышечного препарата в ритме работы сердца лягушки при набрасывании нерва на ритмично сокращающееся сердце.

Э. Дюбуа-Реймон установил, что поврежденный участок мышцы имеет отрицательный заряд, а неповрежденный — положительный. При набрасывании нерва на поврежденный и неповрежденный участки мышцы возникает электрический ток, который раздражает нерв и вызывает сокращение мышцы. Этот ток был назван током покоя, или током повреждения. Э. Дюбуа-Реймон таким образом впервые показал, что наружная поверхность мышцы заряжена положительно по отношению к ее внутреннему содержимому. Следовательно, в состоянии покоя между наружной и внутренней поверхностями мембраны клетки существует разность потенциалов, которая была названа мембранным потенциалом покоя (МПП) или

мембранным потенциалом (МП). Его величина у разных клеток колеблется от 60 до 90 мВ,-

Гипотезы об ионной природе МПП были сформулированы В.Ю. Чаговцем (1896), Ю. Бернштейном (1902), привлекавшим к объяснению причин возникновения МПП теорию электролитической диссоциации Аррениуса, представления о роли клеточных мембран и различных ионов. В 1949—1952 гг. Ходжкин, Хаксли, Катц модифицировали существовавшие ранее концепции и экспериментально обосновали основные положения мембранно-ионной теории. Согласно этой теории, возникновение МП обусловлено неодинаковой концентрацией прежде всего ионов Na+, К+, Са2+, С1 внутри клетки и во внеклеточной среде, а также неодинаковой проницаемостью для этих ионов поверхностной мембраны клетки.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30— 50 раз больше К+, в 8—10 раз меньше Na+ и в 20 раз меньше С1~, чем внеклеточная жидкость. Следовательно, в состоянии покоя существует асимметрия концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде (табл. 2.1).

31

Таблица 2.1. Концентрация ионов в клетке и внеклеточной среде

Клетку ограничивает тончайшая оболочка толщиной 6— 12 нм — поверхностная мембрана, или плазматическая мембрана, или плазмалемма. В ее состав входят липиды (в основном фосфолипиды), белки (в основном гликопротеины) и углеводы (в основном мукополисахариды). Согласно общепринятой трехмерной жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера—Николсона (1972), ее основу, матрикс, образует двойной слой фосфолипидов (рис. 2.1). Механическую прочность липидных слоев мембраны увеличивает холестерол, связывающийся с полярными головками фосфолипидов. В фосфолипидный матрикс полностью (т.е. пронизывая его насквозь) погружены молекулы белков — интегральные белки. Другая группа мембранных белков, которые также частично погружены в мембрану и связаны с ее внешней или внутренней поверхностями, называется поверхностными белками. Интегральные белки выполняют функцию ионных каналов и насосов — переносчиков веществ через мембрану и наряду с поверхностными белками — функции рецепторов

Рис. 2.1. Строение мембраны.

1, 2, 3 — мембранные рецепторы; 4, 5, 8 — бимолекулярный слой фосфолипидов; 6 — белковая часть рецептора; 7 — потенциалзависимый специфический канал; 9 — хемозависимый специфический канал; 10 — неспецифический канал.

32

химических раздражителей (гормонов, медиаторов, антигеном) и редко — ферментов. Функции поверхностных белков бшнг многочисленны: рецепторные, ферментативные, Сфумурные, сократительные, адгезивные, медиаторные (и качестве вторичных посредников). Углеводы в виде олиин ахнридных цепей присоединены к белкам (гликопротеиIIi.i) и липидам (гликолипиды) и создают на наружной по- ш'рчмости мембран разветвленную сеть рецепторов, участвующих в процессах определения специфичности белковых и kin-точных структур.

Мембраны выполняют следующие функции:

•барьерную, отделяющую внутреннюю среду клетки от окружающей среды, что обеспечивает клетке относительное постоянство состава цитоплазмы, определенный уровень ионной асимметрии с внешней средой, участие в генерации электрических явлений;

•транспортную, связанную с движением ионов через мембрану, т.е. с формированием ионных токов через ионные каналы, насосы и ионообменники;

•рецепторную, благодаря которой клетка реагирует на сигналы внешней среды или изменения состава внутренней среды;

•регуляторную, включающую тонкие изменения активности внутриклеточных ферментных систем в связи с действием биологически активных веществ;

•контактную, благодаря которой обеспечивается механическая связь между клетками, а также их функциональное взаимодействие;

•информационную, выражающуюся в передаче химических, электрических, электромагнитных сигналов от одной клетки к другой.

2.2.1. Транспорт веществ через мембрану

Жизнедеятельность возбудимой клетки связана с поступлением в нее питательных веществ, удалением продуктов обмена веществ, формированием специфических процессов, характеризующих возбуждение и сопровождающихся транспортом ионов через мембрану. Различают пассивный и активный транспорт, а также транспорт макромолекул.

Пассивный транспорт включает в себя фильтрацию, осмос и диффузию. Для создания МПП наиболее существенную роль играет диффузия. Существует несколько видов диффузии.

• Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы —

33

02 , N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имеющие заряда — мочевина, аммиак, С02, а также жирорастворимые вещества — низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых

3.

жПростая диффузия через ионные каналы мембраны обеспечивает движение неорганических ионов по концентрационному или электрохимическому градиенту.

жОблегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соединений среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, аминокислот, нуклеотидов. Как правило, переносчик связывается с определенным веществом или родственной группой веществ. При наличии высоких концентраций вещества возможно ограничение объема и скорости транспорта из-за насыщения переносчиков.

Активный транспорт осуществляет перенос веществ против градиента концентраций и требует затрат энергии. На обеспечение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке являются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.

жПервично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свойства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия

используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:желез

•К+~, Na+-Hacoc: переносит три Na+ наружу в обмен на два К+ внутрь, т.е. против градиента концентраций; на один цикл работы насоса расходуется 1 мол. АТФ; за

счет работы этого насоса создается концентрационный градиент для Na+ и К+, который используется для формирования МП клетки, а также вторичного активного транспорта;

•Са2+-насос: встроен как в мембрану клетки, так и в мем-

браны клеточных органелл; в связи с высокой активностью Са2+ как регулятора многих процессов, протекаю-

щих в клетке, его внутриклеточная концентрация должна строго контролироваться; насос откачивает Са2+ во внешнюю среду клетки или во внутриклеточные депо;

•Н+-насос. протонный насос, работающий как в наруж-

ной мембране, так и в мембранах клеточных органелл; переносит Н+ против градиента концентраций из клетки

34

в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия почечных канальцев в канальцевую мочу.

Вторично активный транспорт использует для переноса веществ энергию градиента концентрации какого-либо иона, например Na+, созданную за счет работы насоса. Таким способом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, перемещаясь по электрохимическому градиенту молекулой-перенос- чиком, одновременно способствует переносу против градиента концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.

Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспорта. Источником энергии для транспорта одного иона является энергия градиента концентраций другого. Транспорт может осуществляться как в клетку, так и из клетки. Описаны следующие разновидности ионообменников:

•Na+-, Са2+-обмен обеспечивает выкачивание из клетки Са2+ за счет движения Na+ по электрохимическому градиенту внутрь клетки; механизм работает в нейронах, миоцитах, клетках эпителия и эндокринных;

•Na+~, Н+-обмен обеспечивает выведение протонов из клетки в среду за счет энергии градиента натрия; механизм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпителия канальцев нефрона;

•С/ -, н с о j — самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает по-

глощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде НС03 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоцитах, эпителиальных клетках почки и кишки;

•Na+-, К'-, О -симпорт группы ионов в одном направлении; источником энергии может быть градиент концент-

рации любого из этих ионов; направление транспорта определяется состоянием гомеостаза клетки; механизм работает в эритроцитах человека и связан с необходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.

Транспорт макромолекул — белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот — осуществляется путем эндоцитоза и экзоцитоза.

Эндоцитоз заключается в образовании углубления с последующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам

35

для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и выделяют содержимое путем экзоцитоза. Существует три вида эндоцитоза:

•пиноцитоз — неспецифический захват внеклеточной жидкости с растворенными в ней макромолекулами для использования последних для нужд клетки или для переноса сквозь клетку;

•эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, — захват веществ после их взаимодействия с рецепторами мембраны; после впячивания мембраны и ее отшнуровывания образовавшиеся эндосомы транспортируются к лизосомам для ферментативного расщепления; таким образом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;

•фагоцитоз — захват крупных клеточных частиц специализированными клетками — микро- и макрофагами с последующим перевариванием.

Экзоцитоз — выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мембраной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пищеварительные соки.

2.2.2. Каналы мембраны

Проницаемость наружной мембраны клетки для различных веществ определяется в основном наличием в ее составе канальных (образующих ионные каналы) и транспортных (образующих ионные насосы) белков. В формировании электрических сигналов ионные каналы играют первостепенную роль, так как ионные токи через каналы в тысячи раз превосходят ионные токи, создаваемые работой насосов.

Ионные каналы мембраны делят на неспецифические (низкоселективные — каналы утечки) и специфические или высокоселективные, обладающие способностью пропускать только определенные ионы. Неспецифические каналы пропускают различные ионы и открыты постоянно. Специфические каналы открываются и закрываются в ответ на изменения МП (эти каналы называются потенциалозависимыми) или в ответ на действие химических веществ (хемозависимые каналы), или в ответ на механическую деформацию мембраны (механочувствительные каналы).

Структурной основой канала является белок, имеющий третичную или четвертичную организацию. Он образует ансамбль из нескольких субъединиц или повторяющихся до-

36

Рис. 2.2. Канал мембраны (гипотетическая схема).

а — схема строения; б, в — положение субъединиц; m — активационные ворота; h — инактивационные ворота.

менов одного белка. Каждый домен имеет трансмембранные сегменты, состоящие из определенных последовательностей аминокислот. Субъединицы, или домены, образуют цилиндр, имеющий пору. В структуре канала выделяют наружное и внутреннее устья, свойства белка которых обеспечивают селективность канала.

ж Селективные потенциалозависимые ионные каналы подразделяют на натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные. Канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма («ворот»), который управляется электрическим полем мембраны (рис. 2.2). В каждом канале предполагают наличие двух типов «ворот»: быстрых, или активационных (ш), и медленных, или инактивационных (h). «Ворога» могут быть открыты или закрыты. Например, в состоянии покоя клетки в натриевом канале «ворота» m закрыты, а «ворота» h открыты. При уменьшении заряда мембраны (деполяризации) «ворота» га открываются и канал переходит в проводящее состояние, т.е. через него начинают проходить под действием сил концентрационного и электрохимического градиентов ионы натрия. Затем при достижении процессом деполяризации определенного момента закрываются инакти-

37