2 курс / Нормальная физиология / Нормальная_физиология_практикум_Часть_1_Зинчук_В_В_2014

ГлаВа 2. ФизиолоГия Возбудимых Тканей

2.1. общая характеристика

Физиология. возбудимых. тканей. изучает. основные. закономерности.взаимодействия.между.организмом,.его.составляющими.и.действующими.факторами.внешней.и.внутренней.среды..Возбуждение. представляет.собой.активный.физиологический.процесс,.сопрово- ждающийся.изменением.структурно-функционального.состояния. клетки,.вызванный.действием.внешних.или.внутренних.факторов.. Различают.специфические.и.неспецифические.признаки.возбужде- ния..К.первым.относятся.присущие.какой-либо.определенной.тка- ни,.ко.вторым.—.присущие.всем.возбудимым.тканям..Возбудимые. ткани.способны.отвечать.на.действие.раздражителя.определенной. активной.физиологической.реакцией..Возбуждение.присуще.в.основном.нервным,.мышечным,.железистым.тканям,.вопрос.о.соединительной.ткани.дискутируется.

Основные.свойства.возбудимых.тканей:возбудимость;проводимость.(нервная.ткань);лабильность;рефрактерность;

сократимость.(мышечная.ткань);секреция.(железистая.ткань).

Возбудимость. —. способность. клеток. реагировать. определенным. образом. на. действие. раздражителя.. Для. возбудимых. тканей. также. характерна. способность. распространения. возбуждения. на. некоторое.расстояние..Для.нервной.ткани.скорость.распространения. возбуждения. колеблется. в. широком. диапазоне. (до. 120. м/с),. для.мышечной.ткани.она.равна.6–13.м/с.(скелетная).

Раздражитель.—.фактор.внешней.среды,.воздействующий.на. биологический. объект.. Выделяют. понятие. пороговый. раздражитель,. т.е.. имеющий. минимальную. величину,. способную. вызвать. возбуждение..Раздражители.меньшей.величины.именуются.подпо- роговыми,.большей.величины.—.сверхпороговыми.

История. данного. раздела. физиологии. начинается. с. конца. XVIII.в..(опыты.Гальвани,.Вольта.и.др.).

Итальянские. естествоиспытатели. А..Вольта. (1745–1827). и. Л.. Гальвани. (1737–1798). дискутировали. по. поводу. проблемы. «животного.электричества»,.о.причинах.его.возникновения..Первый. исследователь.предполагал,.что.оно.обусловлено.возникновением. разности.потенциалов.между.различными.металлами,.второй.—.про- цессами,. происходящими. непосредственно. в. ткани.. По. мнению. Л..Гальвани,.источником.электричества.является.непосредственно. ткань.лягушки,.а.металлы.только.осуществляют.замыкание.данной. цепи.. Согласно. представлениям. А.. Вольта,. контакт. двух. разных. металлов.является.источником.электричества,.на.которое.реагирует. возбудимая.ткань.лягушки.(мышца)..Суть.первого опыта Гальвани. заключается.в.сокращении.икроножной.мышцы.лягушки.при.действии. особым. (Fe/Cu). пинцетом,. состоящим. из. медной. и. железной.частей,.на.седалищный.нерв,.а.второго опыта Гальвани.—.в.со- кращении.при.набрасывании.седалищного.нерва.на.поврежденный. и. неповрежденный. участок. поверхности. мышцы.. В. 1837. г.. итальянский.ученый.К..Маттеучи.показал,.что.при.возбуждении.неповрежденной.мышцы.между.ее.частями.идет.электрический.ток,. который.вызывает.возбуждение.лежащего.на.нем.нерва.

2.2. биомембрана

Важнейшим.структурным.элементом.клетки.является.биомембрана..Она.состоит.из.бислоя.липидов.и.белков..Молекулы.липидов.имеют.полярную.гидрофильную.«головку».и.неполярный.гидрофобный.«хвост»..Гидрофобные.участки.молекул.нерастворимы. в.воде,.но.хорошо.растворимы.в.неполярных.растворителях.(эфире,. бензине,.бензоле,.хлороформе.и.др.),.что.предопределяет.их.определенную. ориентацию. и. расположение. относительно. друг. друга.. В.процессе.изучения.строения.мембраны.вначале.была.предложена. модель «сэндвича»,. согласно. которой. основные. компоненты. располагались.слоями,.затем.жидко-мозаичная,.согласно.которой. в.билипидном.слое.белковые.молекулы.располагаются.на.поверхности.отдельно.(п е р и ф е р и ч е с к и е).или.насквозь.(и н т е г р а л ь - н ы е).. Конев. С.В.. и. соавт.. (1970). выдвинули. твердо-каркасную жидко-мозаичную модель:. белковый. компонент. мембраны. обра- зует.скелет.мембраны.(твердо-упругий.белковый.каркас),.ячейки.

которого. заполнены. липидным. бислоем.. Цитоскелет. регулирует. конформацию,.подвижность,.функциональную.активность.элементарных.белков.типа.рецепторов,.ферментов,.транспортных.систем. или.ионных.каналов,.он.придает.мембране.ряд.интегральных.свойств. (непрерывность,.прочность,.эластичность),.за.счет.чего.осуществляется. системная. реакция. клетки. на. внешний. раздражитель. в. рамках. всего. организма.. Клеточная. мембрана. выполняет. различные. функции:

защитную;барьерную;рецепторную;ферментативную;транспортную.

2.2.1. Транспорт веществ через мембрану

Перенос.веществ.через.биологическую.мембрану.осуществляется.различными.механизмами:

пассивным. транспортом. (простая. диффузия,. облегченная. диффузия,.обменная.диффузия,.осмос,.фильтрация.и.др.);

активным. транспортом. (натрий-калиевый. насос,. кальциевый.насос,.протонная.помпа.и.др.);

сопряженным.транспортом.(натрийзависимый.перенос.глюкозы,.аминокислот).

Пассивный транспорт. представляет. собой. перенос. веществ. через. биомембрану. по. градиенту. (концентрационный,. осмотический,.гидродинамический.и.т.д.).и.без.расхода.энергии..Простую диффузию. описывает. закон Фика.. Облегченная диффузия. —. это. вид.переноса.ионов.через.биологическую.мембрану,.который.осуществляется.по.градиенту.концентрации.с.помощью.переносчика.. Ионный канал. —. это. несколько. субъединиц. (интегральных. мембранных.белков,.содержащих.трансмембранные.сегменты,.каждый. из. которых. имеет. α-спиральную. конфигурацию),. обеспечивающих. перенос.ионов.через.мембрану.

Активный транспорт. представляет. собой. перенос. веществ. через.биомембрану.против.градиента.и.с.расходом.энергии..В.орга- низме.человека.30–40.%.всей.энергии,.образующейся.в.ходе.метабо- лических.реакций,.расходуются.на.активный.транспорт..В.некоторых.

случаях.энергия,.вырабатываемая.в.клетке,.идет.практически.полно- стью.на.этот.вид.транспорта..В.почечной.ткани.70–80.%.потребляе- мого. кислорода. идет. на. активный. транспорт.. В. 1957. г.. Я.. Скоу. обнаружил.фермент,.гидролизирующий.АТФ.при.добавлении.ионов. Na+.и.K+.(Na+/K+-АТФаза)..Этот.фермент.состоит.из.двух.полипеп- тидных.субъединиц..Данный.энергозависимый.механизм,.обеспечивающий. выведение. из. клетки. ионов. натрия. и. поступление. в. нее. ионов.калия,.получил.название.натрий-калиевый насос.(Na+/K+-на- сос)..При.гидролизе.одной.молекулы.АТФ.этим.ферментом.происходит. поступление. двух. ионов. K+. внутрь. клетки. и. выведение. трех. ионов. Na+. из. клетки.. Так. как. этот. насос. в. процессе. своего. рабочего. цикла. транспортирует. натрий. из. клетки. больше,. чем. калий.в.клетку,.то.его.функционирование.приводит.к.гиперполяризации. мембраны,. и. поэтому. эти. структуры. называют. электрогенными.

Классификация.ионных.каналов.по.селективности:селективные.(пропускают.только.один.вид.ионов);неселективные.(пропускают.все.виды.ионов). Классификация.ионных.каналов.по.потенциал-управляемости:потенциал-управляемые.—.каналы,.активность.которых.опре-

деляется. трансмембранным. электрическим. полем. (Na+-кана.лы,. . K+-каналы,.Ca2+-каналы);

рецептор-управляемые.—.каналы,.активность.которых.опре- деляется. взаимодействием. с. медиатором. (лиганд-управляемые,. механоуправляемые).

2.2.2. Мембранный потенциал

В.настоящее.время.процессы.возбуждения.описываются.исходя. из.представлений.мембранно-ионной.теории.Бернштейна,.соглас- но.которой.основные.закономерности.возбуждения.определяются. структурно-функциональным. состоянием. мембран,. а. именно:. изменение. мембранного. потенциала. под. действием. раздражителей. обусловлено. изменением. специфической. ионной. проницаемости.. Мембранный потенциал. —. разность. потенциалов. между. цитоплазмой. и. окружающей. средой.. В. 1827. г.. флорентийский. физик. Л.. Нобили. с. помощью. высокочувствительного. гальванометра. впервые.выполнил.регистрацию.мембранного.потенциала..Для.его.

измерения.один.электрод.вводят.внутрь.клетки,.а.другой.располагают.снаружи.

Различают. два. вида. мембранных. потенциалов:. потенциал покоя.и.потенциал действия.

2.2.3. Потенциал покоя

Потенциал покоя.—.это.мембранный.потенциал.клетки,.нахо- дящейся.в.невозбужденном.состоянии..Величина.потенциала.покоя. равна.−60...−90.мВ.для.волокон.поперечнополосатой.мускулатуры,. −30...−50.мВ.—.для.волокон.гладкой.мышечной.ткани,.−60...−70.мВ.—. для. нервных. клеток.. Внутри. клетки. содержится. избыточный. отрицательный.заряд..В.его.возникновении.ключевая.роль.принадлежит.мембране,.создающей.неравномерное.распределение.ионов. внутри.и.вне.клетки.

В.соответствии.с.мембранно-ионной.теорией.возбуждения.генез. биопотенциалов.в.клетках.возбудимых.тканей.обусловлен:.градиентом. концентраций. для. ионов. Na+,. K+,. Ca2+,. Cl−. внутри. и. вне. клетки;.селективной.проницаемостью.для.них.клеточной.мембраны;. функционированием. Na+/K+-насоса,. обеспечивающим. поддержание.концентрационной.разницы.в.содержании.этих.ионов..Ионы.K+. легко.диффундируют.через.мембрану.посредством.существующих. механизмов. переноса.. Мембрана. обладает. избирательной. проницаемостью.для.ионов.K+.и.практически.непроницаема.для.других. ионов,.прежде.всего.Na+..Величину.мембранного.потенциала.можно.рассчитать.в.соответствии.с.уравнением.Нернста.

Уравнение Нернста.(только.для.ионов.K+):

где.Ем.—.величина.мембранного.потенциала,.мВ;.R.—.газовая.по- стоянная;.Т.—.абсолютная.температура;.n.—.валентность.иона;.F.—. постоянная.Фарадея;.[K+]вн.—.концентрация.ионов.калия.внутри. клетки;.[K+]н.—.концентрация.ионов.калия.снаружи.

Рассчитанная. величина. близка. к. реальной,. т.е.. измеренной. в.опыте..В.эксперименте.было.показано,.что.при.уменьшении.концентрации.градиента.по.калию.величина.потенциала.покоя.умень-

шается,.а.изменение.концентрации.Na+.практически.не.влияет.на. величину.потенциала.

Ионы.K+.диффундируют.через.мембрану,.располагаясь.снаружи.

и.создавая. положительный. заряд,. соответствующий. по. величине.

отрицательному.заряду.внутри..Вышедшие.положительные.ионы. K+.создают.электрическое.поле,.которое.препятствует.выходу.других.ионов.К+.за.счет.электроосмотического.давления..В.обычных. условиях.возникает.некоторое.состояние.равновесия,.при.котором. сила.электрического.поля.вышедших.ионов.калия.равна.силе,.определяющих.пассивную.диффузию.этих.ионов.из.клетки.за.счет.разности. концентраций.. В. результате. этого. возникает. определенная.

относительно.постоянная.величина.мембранного.потенциала.покоя. Однако.мембрана.не.полностью.непроницаема.для.ионов.Na+..

Эти.ионы.входят.внутрь.клетки.в.небольшом.количестве.пассивно.. Непрерывное.поступление.Na+.в.клетку.и.выход.из.нее.K+.должно.

было.бы.нарушить.существующее.равновесие.ионов..Внутриклеточные. концентрации. Na+. должны. были. бы. возрастать,. а. K+,. наоборот,.уменьшаться,.что,.в.конечном.итоге,.привело.бы.к.исчезновению.разности.потенциалов.(потенциал.покоя)..Однако.в.обычных. условиях.этого.не.происходит.

Существует.дополнительный.механизм,.обеспечивающий.поток.

ионов. против. градиента. концентраций,. требующий. затрат. энергии..Это.доказывается.опытами.с.радиоактивными.изотопами.Nа+. (его.вводят.внутрь.клетки,.а.затем.в.процессе.жизнедеятельности.

регистрируют.его.наличие.вне)..При.охлаждении.нервной.клетки. на.0,5.°С.выход.Na+.снижается.в.10.раз,.а.при.нормализации.температуры. его. поток. возрастает. (эта. температурная. зависимость. не.может.быть.обусловлена.за.счет.пассивной.диффузии)..В.опы-

тах.с.динитрофенолом.(блокатором.метаболических.процессов). было.показано.снижение.концентрации.ионов.Na+..Данным.дополнительным. механизмом. является. Na+/K+-насос,. который. обеспечивает.взаимосвязанное.движение.ионов.натрия.и.калия.из.клетки.

и.в. нее,. соответственно.. Коэффициент. сопряженности. для. этих. ионов. составляет. 3:2,. что. является. электрогенным. механизмом. и.ведет.к.формированию.трансмембранной.разности.потенциалов.. Данный. белковый. комплекс. в. процессе. своей. работы. последова-

тельно. меняет. свою. конформацию:. в. начале. присоединяет. ионы. Na+,.гидролизирует.АТФ,.одновременно.с.этим.связывая.ионы.K+. и.транспортируя.их.через.мембрану.

2.2.4. Потенциал действия

Потенциал действия.—.это.кратковременное.изменение.мем- бранного.потенциала.клетки.при.ее.возбуждении..Впервые.точное. его.измерение.было.выполнено.в.1939.г..учеными.из.США.(А..Ходжкин,. А.. Хаксли). на. гигантском. аксоне. кальмара.. Продолжительность.потенциала.действия.может.варьировать.в.широком.временном.диапазоне:.от.примерно.1.мс.(для.нервных.клеток),.до.10.мс. (волокна.скелетной.мускулатуры).и.даже.100–300.мс.(для.кардио- миоцитов).и.более.(для.гладкой.мускулатуры).

Потенциал.действия.имеет.четыре.фазы.(рис..2.1):локального.ответа;деполяризации;реполяризации;

следовых. потенциалов,. в. которой. различают. следовую. деполяризацию.и.гиперполяризацию.

При. действии. весьма. слабых. раздражителей. в. мембране. происходит.пассивная.электротоническая.деполяризация..При.увеличении.силы.раздражителя.на.мембране.деполяризация.возрастает. и. длительное. время. сохраняется.. При. этом. изменяется. ионная. проницаемость.мембраны,.растет.возбудимость..Локальный ответ. представляет. собой. местное. изменение. мембранного. потенциала,. возникающее. при. действии. на. возбудимую. ткань. подпороговых. раздражителей..Затем.при.действии.более.сильного.раздражителя. и.достижении.критического.уровня.формируются.процессы.деполяризации..Критический уровень деполяризации.—.это.уровень.мем- бранного. потенциала,. при. котором. открываются. все. потенциалзависимые.натриевые.каналы.и.начинается.деполяризация..Порог деполяризации.есть.разница.между.потенциалом.покоя.и.величиной.критического.уровня.деполяризации..Его.значение.определяется.возбудимостью.

Деполяризация. —. это. изменение. мембранного. потенциала. в. менее. электроотрицательном. направлении,. его. величина. изменяется. с. более. отрицательного. значения. к. положительному.. Воз- никновение.фазы.деполяризации.обусловлено.открытием.Na+-ка- налов. . и. формированием. быстрого. потока. ионов. Na+. в. клетку.. Накопление.этих.ионов.приводит.к.уменьшению.величины.отрицательного. заряда. и. приобретению. некоторого. положительного.

заряда.. Овершут. —. это. фрагмент. потенциала. действия,. во. время. которого.внутреннее.содержимое.клетки.приобретает.положительный. заряд. по. отношению. к. окружающей. среде.. Затем. поступление.Na+.прекращается.и.наблюдается.выход.К+.из.клетки,.что.формирует.фазу.реполяризации.

В.основе.быстрого.поступления.Na+.в.клетку.лежит.активация. потенциалуправляемых.Na+-каналов,.которые.представляют.собой. специальные. потенциалзависимые. структуры,. образованные. особыми. протеинами.. Они. имеют. определенный. диаметр. (около. 0,3.нм).и.располагаются.примерно.на.расстоянии.140.нм..Эти.каналы.являются.селективными..Внутри.канала.имеется.особый.воротный.механизм,.который.открывается.в.процессе.возбуждения.. Известен.инактиватор.Na+-каналов.—.тетродоксин..Он.блокирует.

Na+-каналы.в.мембране,.в.результате.чего.возникновение.деполяри- зации.и.последующее.развитие.потенциала.действия.невозможно.

Реполяризация.—.восстановление.исходного.уровня.мембран- ного.потенциала,.обусловленное.закрытием.Na+-каналов,.открытием. K+-каналов.и.выходом.ионов.K+.из.клетки..Для.этих.ионов.суще- ствуют.аналогичные.специальные.K+-каналы,.которые.также.имеют. специальный.воротный.механизм,.открывающийся.при.деполяризации..Данные.каналы.можно.заблокировать.с.помощью.тетраэтил- аммония..Он,.являясь.K+-ионофором,.индуцирует.выходящий.поток. ионов.калия.по.градиенту.концентрации,.в.результате.чего.на.мембране.возникает.отрицательный.заряд.

После.реполяризации.возникает.фаза.следовых потенциалов,. в. которой. выделяют. деполяризационную. и. гиперполяризационную фазы,.т.е..изменение.мембранного.потенциала.в.более.электроотрицательном.направлении.

Существенно,. что. генерация. потенциала. действия. не. требует. непосредственно.затрат.энергии..Наблюдаемое.изменение.проницаемости. ионов. слишком. мало. и,. самое. главное,. осуществляется. пассивно..Для.оценки.ионных.тонов.через.одиночные.каналы.используется.метод локальной фиксации потенциала.(patch.clamp),. который.позволил.выявить.вклад.проницаемости.конкретных.ионов.в.развитие.потенциала.действия.

2.2.5. Фазность изменения возбудимости

В. разные. фазы. потенциала. действия. величина. возбудимости. клетки. имеет. различные. значения. (см.. рис.. 2.1).. Исходный. уровень. возбудимости. рассматривается. как. 100. %.. Различают. повышенную. (супернормальную),. пониженную. (субнормальную). фазы. возбудимости,.а.также.рефрактерность,.т.е..состояние.невозбудимости.клетки.во.время.ее.возбуждения..Выделяют. а б с о л ю т н у ю. (полную). и. о т н о с и т е л ь н у ю . (неполную). рефрактерность.. Фазы.деполяризации.и.реполяризации.характеризуются.абсолютной. и. относительной. рефрактерностью. соответственно.. Возбудимость. ткани. определяется. величиной. разности. между. исходным. мембранным. потенциалом. и. значением. критического. уровня. деполяризации..Если.этот.показатель.растет,.то.возбудимость.снижается. (например,.при.гиперполяризации),.и.наоборот.—.при.его.умень-

шении.возбудимость.повышается.(например,.в.случае.локального. ответа.или.деполяризации).

Уменьшение. возбудимости. ткани. при. действии. медленно. нарастающего.по.силе.раздражителя.называется.аккомодацией..В.ее. основе.лежат.процессы.инактивации.натриевой.и.повышения.калиевой.проницаемости.мембраны.

2.2.6. Оценка возбудимости

Ткани.имеют.различные.характеристики.возбудимости..Ответная.реакция.в.зависимости.от.силы.и.длительности.действия.того. или.иного.раздражения.изучалась.Дж..Гоорвегом.(1892),.М..Вейсом.(1909),.Л..Лапиком.(1909)..Выявлена.зависимость.между.силой.и.длительностью.действия.раздражителя.и.ответной.реакцией. на. его. действие.. Количественно. зависимость. между. величиной. раздражителя.и.временем.его.действия.выражается.в.виде.формулы М. Вейса:

где. I. —. пороговая. сила. тока,. В;. t. —. время. действия. раздражите- ля,.с;.a.—.константа,.характеризующая.постоянное.время.раздра- жения.с.момента,.когда.кривая.переходит.в.прямую.линию,.идущую. параллельно. оси. ординат;. b. —. константа,. соответствующая. силе.раздражения.при.постоянной.его.длительности,.когда.кривая. переходит. линию,. идущую. параллельно. оси. абсцисс. (кривая. «сила.—.время»).

Графически. эта. закономерность. имеет. форму. гиперболы. (рис..2.2)..Для.исследования.данной.закономерности.используют. метод. хронаксиметрии,. согласно. которому. определяют. ряд. параметров.. Реобаза. —. это. минимальная. сила. раздражителя,. способная. вызвать. возбуждение. при. условии. достаточно. длительного. действия..Хронаксия.—.это.минимальное.время,.в.течение.кото- рого.должен.действовать.раздражитель.величиной.в.две.реобазы,. чтобы.вызвать.возбуждение.

Процессы.возбуждения.характеризуются.определенными.закономерностями..Закон «силы».—.закономерность,.согласно.которой. при. увеличении. силы. раздражителя. ответная. реакция. возбужде-