2 курс / Нормальная физиология / Основы_физиологии_человека_Агаджанян_Н_А_и_др_
.pdf15
Г ЛАВА 2
ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ
Способность адаптироваться к постоянно изменяющимся ус ловиям внешней среды является одним из основных признаков живых систем. В основе приспособительных реакций организма лежит раздражимость — способность реагировать на действие различных факторов изменением структуры и функций. Раздра жимостью обладают все ткани животных и растительных орга низмов. В процессе эволюции происходила постепенная диф ф е ренциация тканей, участвующих в приспособительной деятель ности организма. Раздражимость этих тканей достигла наивыс шего развития и трансформировалась в новое свойство — возбу димость. Под этим термином понимают способность ряда тканей (нервной, мышечной, железистой) отвечать на раздражение гене рацией процесса возбуждения. Возбуждение — это сложный ф и зиологический процесс временной деполяризации мембраны клеток, который проявляется специализированной реакцией тка ни (проведение нервного импульса, сокращ ение мышцы, отделе ние секрета железой и т. д.). Возбудимостью обладают нервная, мышечная и секреторная ткани, которые называют возбудимыми тканями. Возбудимость различных тканей неодинакова. Ее вели чину оценивают по порогу раздражения — минимальной силе раздражителя, которая способна вызвать возбуждение. М енее сильные раздражители называются подпороговыми, а более силь ные — сверхпороговыми.
Раздражителями, вызывающими возбуждение, могут быть любые внешние (действующие из окружающей среды) или внут ренние (возникающие в самом организме) воздействия. Все раз дражители по их природе можно разделить на три группы: ф изи ческие (механические, электрические, температурные, звуковые, световые), химические (щелочи, кислоты и другие химические вещества, в том числе и лекарственные) и биологические (виру сы, бактерии, насекомые и другие живые существа).
По степени приспособленности биологических структур к их восприятию раздражители можно разделить на адекватные и не адекватные. Адекватными называются раздражители, к восприя тию которых биологическая структура специально приспособле
16 |
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
на в процессе эволюции. Например, адекватным раздражителем для фоторецепторов является свет, для барорецепторов — изме нение давления, для мышц — нервный импульс. Неадекватными называются такие раздражители, которые действуют на структу ру, специально не приспособленную для их восприятия. Напри мер, мышца может сокращаться под влиянием механического, теплового, электрического раздражений, хотя адекватным раз дражителем для нее является нервный импульс. Пороговая сила неадекватных раздражителей во много раз превыш ает пороговую силу адекватных.
Биоэлектрические явления в возбудимых тканях. Природа возбуждения
Возбуждение представляет собой сложную совокупность ф и зических, химических и физико-химических процессов, в резуль тате которых происходит быстрое и кратковременное изменение электрического потенциала мембраны.
Первые исследования электрической активности живых тка ней были проведены Л. Гальвани. Он обратил внимание на сснсра-; щ ение мышц препарата задних лапок лягушки, подвешенной на медном крючке, при соприкосновении с железными перилами балкона (первый опыт Гальвани). На основании этих наблюдений им был сделал вывод, что сокращ ение лапок вызвано «животным электричеством», которое возникает в спинном мозге и передает ся по металлическим проводникам (крючку и перилам) к мыш цам.
Ф изик А. Вольта, повторив этот опыт, пришел к другому за ключению. Источником тока, по его мнению, является не спин ной мозг и «животное электричество», а разность потенциалов, образующ аяся в месте контакта разнородных металлов — меди и железа, а нервно-мышечный препарат лягушки является лишь проводником электричества. В ответ на эти возражения Л. Галь вани усовершенствовал опыт, исключив из него металлы. Он пре парировал седалищный нерв вдоль бедра лапки лягушки, затем набрасывал нерв на мышцы голени, что вызывало сокращ ение мышцы (второй опыт Гальвани), тем самым доказав сущ ествова ние «животного электричества».
Позднее Дюбуа-Реймоном было установлено, что поврежден ный участок мышцы имеет отрицательный заряд, а неповрежден ный участок — положительный. При набрасывании нерва между поврежденным и неповрежденным участками мышцы возникает ток, который раздражает нерв и вызывает сокращение мышцы. Этот ток был назван током покоя, или током повреждения. Так бы ло показано, что наружная поверхность мышечных клеток заря жена положительно по отношению к внутреннему содержимому.
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
17 |
Мембранный потенциал
Всостоянии покоя между наружной и внутренней поверхно стями мембраны клетки существует разность потенциалов, кото рая называется мембранным потенциалом [МП), или, если это клетка возбудимой ткани, — потенциалом покоя. Так как внут
ренняя сторона мембраны заряж ена отрицательно по отношению к наружной, то, принимая потенциал наружного раствора за нуль, МП записывают со знаком «минус». Его величина у разных кле ток колеблется от минус 30 до минус 100 мВ.
Первая теория возникновения и поддержания мембранного потенциала была разработана Ю .Бернштейном (1902). Исходя из того, что мембрана клеток обладает высокой проницаемостью для ионов калия и малой проницаемостью для других ионов, он пока зал, что величину мембранного потенциала можно определить, используя формулу Нернста:
Е = Е |
RT |
[К+] |
= ------ In -— *-н |
||
М ‘ |
nF |
[К+]вн |
где Ем — разность потенциалов между внутренней и наруж |
||
ной сторонами мембраны; |
— равновесный потенциал для ио |
нов калия; R — газовая постоянная; Г — абсолютная температура; л — валентность иона; F — число Фарадея; [К+]>н — внутренняя и [К+]н — наружная концентрация ионов калия.
В 1949—1952 гг. А.Ходжкин, Э.Хаксли, Б.Катц создали со временную мембранно-ионную теорию, согласно которой мем бранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а такж е неодинаковой проницаемос тью для этих ионов мембраны клетки. Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30 —50 раз больше ионов калия, в 8 —10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Проницаемость мембраны для ио нов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающ ими липидный слой. Одни каналы открыты посто янно, другие (потенциалозависимые) открываются и закры ва ются в ответ на изменения МП. Потенциалозависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлор ные. В состоянии физиологического покоя мембрана нервных клеток в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ио нов натрия.
Таким образом, согласно обновленной мембранной теории асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенци ала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией по обе стороны от
18 Глава 2. Физиология возбудимых тканей
мембраны, а более точно величину мембранного потенциала мож но рассчитать по формуле:
|
R T ln |
Рк[К)1 + P N,[N a )I + Р П[С1); |
“ |
*F |
W H++ P Na[Na]H++ P a [C l]- ' |
где Рк, PNa, РС| — проницаемость для ионов калия, натрия и хлора.
Поляризация мембраны в покое объясняется наличием откры тых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентра ций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т.е. к появлению положительного за ряда на наружной поверхности мембраны. Органические анио ны — крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мемб раны отрицательный заряд. Поэтому чем больше разница концент раций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения МП. Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ио нов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются на- трий-калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клет ки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии. Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоян ный ток положительных ионов из клетки. То что выведение натрия зависит от наличия метаболической энергии, доказывается тем, что под действием динитрофенола, который блокирует метаболи ческие процессы, выход натрия снижается примерно в 100 раз. Та ким образом, возникновение и поддержание мембранного потен циала обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий-калиевого насоса.
Изменения мембранного потенциала. Пороговые и подпороговые раздраж ители
Если раздражать нейрон через электрод, находящийся в цито плазме, кратковременными импульсами деполяризующего элект рического тока различной величины, то, регистрируя через другой электрод изменения мембранного потенциала, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический по тенциал, локальный ответ и потенциал действия (рис.1). Если на носятся раздражения, величина которых не превышает 0,5 вели чины порогового раздражения, то деполяризация мембраны на блюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
19 |
электротоническая деполяризация (электротонический потенци ал). Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненте и определяется параметрами раздража ющего тока, а также свойствами мембраны (ее сопротивлением и емкостью). Во время развития электротонического потенциала проницаемость мембраны для ионов практически не изменяется.
Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 пороговой величины развитие деполя ризации мембраны происходит не прямолинейно, а по S-образ- ной кривой. Деполяризация продолжает нарастать и после пре кращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчеза ет. Этот процесс получил название локального ответа. Локальный ответ имеет следующие свойства: 1) возникает при действии под пороговых раздражителей: 2) находится в градуальной зависимо сти от силы стимула (не подчиняется закону «все или ничего»); ло кализуется в месте действия раздражителя и не способен к рас пространению на большие расстояния; 3) может распространять ся лишь локально, при этом его амплитуда быстро уменьшается; 4) локальные ответы способны суммироваться, что приводит к увеличению деполяризации мембраны. В период развития ло кального ответа возрастает поток ионов натрия в клетку, что по вышает ее возбудимость. Локальный ответ является эксперимен тальным феноменом, однако по перечисленным выше свойствам он близок к таким явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), который возникает под влиянием деполяри зующего действия возбуждающих медиаторов.
40 *иа
20
О
-Я)
-40
-ео ■во ■wo
я
Рис. 1. Изменение мембранного потенциала под влиянием деполяризующих и гнперполярнзующих раздражений:
а— электротонический потенциал; б — локальный ответ;
в— потенциал действия; г — гиперполяризация; д — раздражения
20 |
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
П отенциал действия
Потенциал действия (ПД) возникает на мембранах возбуди мых клеток под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины, который увеличивает проницаемость мембра ны для ионов натрия. Ионы натрия начинают входить внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины мембранного по тенциала — деполяризации мембраны. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации открываются потенциалоза висимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов увеличивается в 500 раз (превышая проницаемость для ио нов калия в 20 раз). В результате проникновения ионов натрия в цитоплазму и их взаимодействия с анионами разность потенциа лов на мембране исчезает, а затем происходит перезарядка кле точной мембраны (инверсия заряда, овершут) — внутренняя по верхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной (на 30 —50 мВ), после чего закрываются натриевые ка налы и открываются потенциалозависимые калиевые каналы. В результате выхода калия из клетки начинается процесс восста новления исходного уровня мембранного потенциала покоя — реполяризация мембраны. Если такое повышение проводимости для калия предотвратить введением тетраэтиламмония, который избирательно блокирует калиевые каналы, мембрана реполяризуется гораздо медленнее. Натриевые каналы можно блокировать тетродотоксином и разблокировать последующим введением фермента проназы, который расщепляет белки.
Таким образом, в основе возбуждения (генерации ПД) лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового (критического) уровня.
Впотенциале действия различают следующие фазы:
1.Предспайк — процесс медленной деполяризации мембра ны до критического уровня деполяризации (местное возбужде ние, локальный ответ).
2.Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяри зация мембраны).
3.Отрицательный следовой потенциал — от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мемб раны (следовая деполяризация).
4.Положительный следовой потенциал — увеличение мемб ранного потенциала и постепенное возвращ ение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).
Изменения возбудимости при возбуждении
При развитии потенциала действия происходят ф азны е из
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
21 |
менения возбудимости ткани (рис. 2). Состоянию исходной поля ризации мембраны (мембранный потенциал покоя) соответствует нормальный уровень возбудимости. В период предспайка возбу димость ткани повышена. Эта ф аза возбудимости получила на-
Рис.2. Соотношение одиночного цикла возбуждения (А) и фаз возбудимости (Б)
Для А: а — мембранный потенциал покоя; б —локальный ответ или ВПСП; в — восходящая фаза потенциала действия (деполяризация и иннерсии); г —нисходящая фаза потенциала действия (реполяризация);
д— отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);
е— положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация)
Для Б: а — исходный уровень возбудимости; б — фаза повышенной возбу димости; в — фаза абсолютной рефрактерности; г —фаза относительной рефрактерности; д — фаза супернормальной возбудимости;
е —фаза субнормальной возбудимости
звание повышенной возбудимости (первичной экзальтации). В это время мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительный стимул, даже если он меньше порогового, может довести мембрану до критиче ского уровня деполяризации. В период развития спайка (пиково го потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мемб раны и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители даже сверхпороговой силы. Эта ф аза возбудимос ти получила название абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости). Она длится до конца перезарядки мембраны и возникает в связи с тем, что натриевые каналы инактивируются.
22 |
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
После окончания ф азы перезарядки мембраны возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня — ф аза от носительной рефрактерности. Она продолжается до восстанов ления заряда мембраны, достигая величины критического уровня деполяризации. Так как в этот период мембранный потенциал по коя ещ е не восстановлен, то возбудимость ткани понижена и но вое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя.
Снижение возбудимости в ф азу относительной реф рактер ности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Периоду отрицательного следового потен циала соответствует повышенный уровень возбудимости (фаза вторичной экзальтации). Так как мембранный потенциал в эту ф азу ближе к критическому уровню деполяризации по сравне нию с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раз дражения снижен и новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы.
В период развития положительного следового потенциала возбудимость ткани понижена — ф аза субнормальной возбуди мости (вторичной рефрактерности). В эту ф азу мембранный по тенциал увеличивается (состояние гиперполяризации мембра ны), удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раз дражения повышается и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины. Рефрактерность мембраны является следствием того, что натри евый канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма, который управляется электрическим по лем мембраны. В канале предполагают наличие двух типов «во рот» — быстрых активационных (ш) и медленных инактивационных (Л). «Ворота» могут быть полностью открыты или закрыты, например, в натриевом канале в состоянии покоя «ворота» т за крыты, а «ворота» h — открыты. При уменьшении заряда мемб раны (деполяризации) в начальный момент «ворота» т и h откры ты — канал способен проводить ионы. Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрохимическому градиенту. Затем инактивационные «ворота» закрываются, т.е. канал инактивируется. По мере восстановления МП инактиваци онные «ворота» медленно открываются, а активационные быст ро закрываю тся и канал возвращ ается в исходное состояние. Следовая гиперполяризация мембраны может возникать вслед ствие трех причин: во-первых, продолжающимся выходом ионов калия; во-вторых, открытием каналов для хлора и поступлением этих ионов в клетку; в-третьих, усиленной работой натрий-кали- евого насоса.
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
23 |
Законы раздраж ения возбудимых тканей
Эти законы отражаю т определенную зависимость между дей ствием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани. К законам раздражения относятся: закон силы, закон «все или ни чего», закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации), закон силы-времени (силы-длительности), закон полярного действия постоянного тока, закон физиологического электротона.
Закон силы: чем больше сила раздражителя, тем больше вели чина ответной реакции. В соответствии с этим законом функцио нирует скелетная мышца. Амплитуда ее сокращ ений постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя вплоть до до стижения максимальных значений. Это обусловлено тем, что ске летная мышца состоит из множества мышечных волокон, имею щих различную возбудимость. На пороговые раздражители отве чают только волокна, имеющие самую высокую возбудимость, амплитуда мышечного сокращ ения при этом минимальна. Увели чение силы раздражителя приводит к постепенному вовлечению волокон, имеющих меньшую возбудимость, поэтому амплитуда сокращ ения мышцы усиливается. Когда в реакции участвуют все мышечные волокна данной мышцы, дальнейшее повышение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения.
Закон «все или ничего»: подпороговые раздражители не вызы вают ответной реакции («ничего»), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция («все»). По закону «все или ничего» сокращаются сердечная мышца и одиночное мышечное волокно. Закон «все или ничего» не абсолютен. Вопервых, на раздражители подпороговой силы не возникает види мой ответной реакции, но в ткани происходят изменения мемб ранного потенциала покоя в виде возникновения местного воз буждения (локального ответа). Во-вторых, сердечная мышца, рас тянутая кровью, реагирует по закону «все или ничего», но ампли туда ее сокращ ения будет больше по сравнению с таковой при со кращении нерастянутой сердечной мышцы.
Закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации): стимули рующее действие постоянного тока зависит не только от абсо лютной величины силы тока, но и от скорости нарастания тока во времени. При действии медленно нарастающего тока возбужде ние не возникает, так как происходит приспособление возбуди мой ткани к действию этого раздражителя, что получило назва ние аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что при дейст вии медленно нарастающего раздражителя в мембране происхо дит повышение критического уровня деполяризации. При сни жении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения ПД не возникает, так как деполяризация мембраны является пусковым стимулом к началу двух процес
24 |
Глава 2. Физиология возбудимых тканей |
сов: быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемос ти и тем самым обусловливающего возникновение потенциала действия, и медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и как следствие этого — к окончанию потенциа ла действия. При быстром нарастании стимула повышение на триевой проницаемости успевает достичь значительной величи ны прежде, чем наступит инактивация натриевой проницаемос ти. При медленном нарастании тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога гене рации ПД. Способность к аккомодации различных структур нео динакова. Наиболее высокая она у двигательных нервных воло кон, а наиболее низкая у сердечной мышцы, гладких мышц ки шечника, желудка.
Закон силы-времени: раздражаю щ ее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в тече ние которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать на возбудимые ткани, чтобы вызвать воз буждение (рис.З).
Рис.З. Зависимость меж ду силой тока и временем его действия:
А— реобаза; Б — удвоенная реобаза: В —кривая силы времени;
а—полезное время действия тока; б — хронаксия
Исследования зависимости силы-длительности показали, что она имеет гиперболический характер. Ток меньше некоторой ми нимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длитель но он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающ ую способность они имеют. Причиной такой зависи мости является мембранная емкость. Очень «короткие» токи не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполя ризации. М инимальная величина тока, способная вызвать воз буждение при неограниченно длительном его действии, называ ется реобазой. Время, в течение которого ток, равный реобазе, вызывает возбуждение, называется полезным временем. Хронак-