2 курс / Нормальная физиология / Практикум_по_нормальной_физиологии_Зинчук_В_В_,_Балбатун_О_А_,_Емельянчик

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ №1:

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЯХ. МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить механизмы возникновения биоэлектрических явлений в возбудимых тканях; знать критерии возбудимости возбудимых тканей.

Физиология возбудимых тканей изучает основные закономерности взаимодействия между организмом, его составляющими и действующими факторами внешней среды. Возбуждение – активный физиологический процесс, сопровождающийся изменением структурно-функционального состояния клетки, вызванный действием внешних или внутренних факторов. Различают специфические и неспецифические признаки возбуждения. К первым относятся присущие только конкретной данной ткани. Например: сокращение мышц, выделение секрета. Неспецифические – это изменение концентрации ионов, молекул, теплопродукции, в целом обмена веществ, мембранного потенциала, который является достоверным критерием возбуждения. Возбудимые ткани – это ткани, способные отвечать на действие раздражителя активной физиологической реакцией. Возбуждение присуще в основном нервным, мышечным, железистым тканям, вопрос о соединительной ткани обсуждается. Возбудимость – способность клеток реагировать определенным образом на действие раздражителя. Раздражитель – фактор внешней среды, воздействующий на биологический объект. Раздражители делятся по силе на подпороговые, пороговые и сверхпороговые; по природе раздражителя – на физические, химические, биологические; по расположению источника раздражения – на экстероцептивные,

интероцептивные и проприоцептивные (раздражители можно классифицировать по другим признакам.

История изучения в данной области начинается с конца XVIII века

(опыты Гальвани, Вольта и др.). Суть первого опыта Гальвани

заключается в сокращении икроножной мышцы лягушки при действии особым (Fe/Cu) пинцетом на седалищный нерв, а второго опыта Гальвани

– в сокращении при набрасывании на нее седалищного нерва на поврежденный и неповрежденный участок поверхности мышцы (Работа

№2).

Важнейшим структурным элементом клетки является мембрана. Она состоит из бислоя липидов и белков. Молекул липидов имеют гидрофобную и гидрофильную части, что предопределяет их определенную ориентацию и расположение относительно друг друга. В

41

процессе изучения строения мембраны вначале была предложена модель «сэндвича», согласно которой основные компоненты располагались слоями, затем жидко-мозаично, т.е. в билипидном слое отдельно располагаются на поверхности (периферические) или насквозь белковые молекулы (интегральные). Конев С.В. и др. (1970) выдвинули твердо-

каркасную жидко-мозаичную модель: белковый компонент мембраны образует скелет мембраны (твердоупругий белковый каркас), ячейки которого заполнены липидным бислоем. Цитоскелет регулирует конформацию, подвижность, функциональную активность элементарных белков типа рецепторов, ферментов, транспортных систем или ионных каналов, с другой стороны, он придает мембране ряд интегральных свойств (непрерывность, прочность, эластичность), за счет чего осуществляется общесистемная реакция клетки на внешний раздражитель в рамках всего организма. Функции клеточной мембраны: защитная, барьерная, рецепторная, транспортная, ферментативная.

Классификация типов транспорта низкомолекулярных веществ без изменения морфологической структуры мембраны: пассивный (простая диффузия, облегченная диффузия, обменная диффузия, осмос, фильтрация, активный (Na+/K+-насос, Ca2+-насос, протонная помпа), сопряженный (натрийзависимый перенос глюкозы, аминокислот).

Пассивный транспорт – перенос веществ через биомембрану по градиенту (концентрационный, осмотический, гидродинамический и т.д.) и без расхода энергии. Простую пассивную диффузию описывает закон Фика. Облегченная диффузия – это вид переноса ионов через биологические мембраны, 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 – перенос веществ через биомембрану против градиента и с расходом энергии. Энергозависимый механизм, обеспечивающий выведение из клетки ионов натрия и введение в нее ионов калия, называется натрий-калиевым насосом. При гидролизе одной молекулы АТФ этим ферментом происходит поступление двух ионов К+ внутрь клетки и выведение трех ионов Na+ из клетки.

В настоящее время процессы возбуждения описываются, исходя из представлений мембранно-ионной гипотезы Бернштейна, согласно 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. Для этого вводят один электрод внутрь клетки, а другой

42

располагают снаружи. Впервые его измерение было выполнено в 1939 г. А. Ходинским, А. Хаксли на гигантском аксоне кальмара. Различают два вида мембранных потенциалов: потенциал покоя и потенциал действия.

Потенциал покоя – это мембранный потенциал клетки, находящейся в невозбуждённом состоянии. Величина потенциал покоя равна -60 – -90 мВ для волокон поперечно-полосатой 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. Мембрана обладает селективной проницаемостью для разных ионов. В соответствии с мембранно-ионной теорией возбуждения генез биопотенциалов в клетках возбудимых тканей обусловлен градиентом концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, CI- внутри и вне клетки; селективной проницаемостью для них клеточной мембраны; функционирование Na+/K+-насосом, обеспечивающим поддержание концентрационной разницы. Ионы К+ легко диффундируют через мембрану посредством существующих механизмов переноса. Мембрана обладает избирательной проницаемостью для ионов К+ и практически непроницаема для других ионов, и прежде всего Na+. Величину мембранного потенциала можно рассчитать в соответствии с уравнением Нернста. Ионы К+ диффундируют через мембрану, располагаются снаружи, создавая положительный заряд, соответствующий по величине отрицательному заряду внутри. Выход положительных ионов К+ создает электрическое поле, которое мешает выходу других ионов К+ за счет электроосмотического давления. Однако мембрана не полностью непроницаема для ионов Na+. Эти ионы входят внутри клетки пассивно. Непрерывное поступление Na+ в клетку и выход из нее К+ должно было бы нарушить существующее равновесие ионов. Внутриклеточные концентрации Na+ должны были бы возрастать, а К+, наоборот, уменьшаться, что, в конечном итоге, вело бы к снижению потенциала покоя. В обычных условиях этого не происходит. Существует дополнительный механизм, обеспечивающий поток ионов против градиента концентраций, требующий затрат энергии.

Потенциал действия – это кратковременное изменение мембранного потенциала клетки при её возбуждении. Продолжительность потенциала действия может изменяться в широком временном диапазоне (от 1 мсек – для нервных клеток, до 10 мсек – (волокна скелетной мускулатуры) и даже 100-300 мсек для кардиомиоцитов и более – для гладкой мускулатуры).

Потенциал действия имеет несколько фаз: фаза локального ответа, фаза деполяризация, фаза реполяризация, фаза следовых потенциалов (следовая деполяризация и гиперполяризация), положительную часть называют овершутом. Во время фазы деполяризации формируется быстрый поток Na+, его проницаемость резко возрастает. Накопление Na+ в клетки

43

приводит к уменьшению величины отрицательного заряда и приобретение некоторого положительного заряда. Затем поступление Na+ прекращается

инаблюдает выход К+ из клетки, что формирует фазу реполяризации. В основе быстрого поступления Na+ в клетку лежит активация Na+-каналов, которые представляют собой специальные потенциалзависимые структуры, образованные протеинами. Они имеют определенный диаметр примерно 0,3 нм, располагаются примерно на расстоянии 140 нм. Эти каналы являются селективными. Внутри канала имеется особый воротный механизм, который открывается в процессе возбуждения. Для К+ существуют аналогичные специальные К+-каналы, которые имеют также специальный воротный механизм, открывающийся при деполяризации. Существенно, генерация потенциала действия не требует затрат энергии.

При действии слабых раздражителей в мембране происходит пассивная электротоническая деполяризация. При увеличении силы раздражителя на мембране деполяризация возрастает и длительное время сохраняется локальный ответ. В мембране при этом изменяется ионная проницаемость, изменяется возбудимость (растет). Локальный ответ – возбуждение, возникающее при действии на возбудимую ткань подпороговых раздражителей. Критический уровень деполяризации – это уровень мембранного потенциала, при котором открываются все потенциал-зависимые натриевые каналы и начинается деполяризация. Порог деполяризации есть разница между потенциалом покоя и величиной критического уровня деполяризации. Деполяризациия – это изменение мембранного потенциала в менее электроотрицательном направлении. Возникновение фазы деполяризации обусловлено открытием Na+-каналов

ивхождением ионов Na+ в клетку. Гиперполяризация – это изменение мембранного потенциала в более электроотрицательном направлении. Овершут – это фрагмент потенциала действия, во время которого внутреннее содержимое клетки приобретает положительный заряд по отношению к окружающей среде. Реполяризация – восстановление исходного уровня мембранного потенциала. Возникновение фазы реполяризации обусловлено инактивацией Na+-каналов, открытием К+- каналов и выходом этих ионов из клетки. Рефрактерность – состояние невозбудимости клетки во время её возбуждения. Уменьшение возбудимости ткани при действии медленно нарастающего по силе раздражителя называется аккомодацией. В ее основе лежат процессы инактивации натриевой и повышения калиевой проницаемости мембраны.

Изучалась ответная реакция в зависимости от силы и длительности раздражения. Зависимость пороговой силы раздражителя от его длительности исследовалась Гоорвег (1892), Вейс (1909), Лапик (1909). Была получена кривая «сила-время». Существует зависимость между силой и длительностью действия раздражителя и ответной реакцией на его действие. Для исследования данной закономерности используют метод

44

хронаксиметрии, согласно которому определяют хронаксию и реобазу. Физиологический электротон – это изменение возбудимости клеток

или тканей под действием постоянного электрического тока. Катэлектротон – это изменение возбудимости клеток или тканей под действием постоянного тока под катодом. Анэлектротон – это изменение возбудимости клеток или тканей под действием постоянного тока под анодом. Катодическая депрессия – это снижение возбудимости под катодом при длительном действии постоянного тока подпороговой величины. Анодическая экзальтация – это повышение возбудимости под анодом при длительном действии постоянного тока подпороговой величины.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ:

1.Возбудимые ткани. Общие свойства возбудимых тканей. Возбудимость и возбуждение. Специфические и неспецифические признаки возбуждения. Критерии оценки возбудимости. Классификация раздражителей.

2.Современные представления о строении и функциях мембран. Активный и пассивный транспорт ионов через мембраны. Мембранноионная теория возбуждения.

3.Мембранный потенциал, его происхождение. Локальный ответ. Критический уровень деполяризации.

4.Современные представления о процессе возбуждения. Потенциал действия и его фазы. Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия. Особенности местного и распространяющегося возбуждения. Закон "все или ничего".

5.Законы раздражения возбудимых тканей (значение силы, длительности, крутизны нарастания раздражения).

6.Действие постоянного тока на возбудимые ткани. Полярный закон раздражения. Электротонические явления в тканях. Катодическая депрессия.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Физиологии человека / Под ред. Б.И. Ткаченко. – С.-Пб., 1996. – C. 2129

2.Нормальная физиология. Краткий курс : учеб. пособие // В.В. Зинчук, О.А. Балбатун, Ю.М. Емельянчик ; под ред. В.В. Зинчука. – Минск: Выш. шк., 2010. – 431 с. (см. соответствующий раздел).

3.Семенович А.А., Переверзев В.А., Зинчук В.В., Короткевич Т.В. Физиология человека : учеб. пособие / А.А. Семенович [и др.] ; под ред. А.А. Семеновича. – Минск: Выш. шк., 2009. (см. соответствующий раздел).

4.Нормальная физиология: учебное пособие / Под ред. Зинчука В.В. –

45

Часть I. – Гродно, 2005. – С.23-38.

5.Нормальная физиология: учебное пособие / Под ред. Зинчука В.В. –

Часть II. – Гродно, 2005. – С.36-54.

6.Физиология человека / под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько. – М.: Медицина, 2007. (см. соответствующий раздел).

7.Лекции по теме занятия.

46

ОФОРМИТЬ В ПРОТОКОЛЕ:

Потенциал действия и возбудимость, соотношения их фаз (стенд 1, рис. 9 или (каф. стенд № 2, рис 3 или «Нормальная физиология: учебное пособие» /Под ред. Зинчука В.В. – Часть I. – Гродно, 2005. – С.29.)

Зависимость между силой раздражителя и временем его действия (стенд № 1, рис. 12 или «Нормальная физиология: учебное пособие» /Под ред. Зинчука В.В. – Часть I. – Гродно, 2005. – С.28.)

Сила

2

1

47

ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ СИЛОЙ РАЗДРАЖИТЕЛЯ И ВРЕМЕНЕМ ЕГО ДЕЙСТВИЯ

1 – ; 2 – ; 3 – ; 4 – .

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ:

1.Методы изучения тканей» (видеофильм, 4 минуты).

2.Хронаксиметрия. Определение сенсорной и моторной реобазы

ихронаксии.

Двумя основными показателями возбудимости являются минимальная сила, необходимая для возбуждения и минимальное время, необходимое для возбуждения. Реобаза – минимальная сила раздражителя, способная вызвать возбуждение при условии достаточного длительного действия. Минимальное время, в течение которого должен действовать раздражитель величиной в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение, называется хронаксией. Возбудимость чувствительных нервных волокон выше, чем двигательных, поэтому мы можем определить реобазу и хронаксию отдельно для возникновения ощущения под действием тока (сенсорная реобаза и хронаксия) и сокращения мышц под действием тока (моторная реобаза и хронаксия).

Оснащение: исследуемый, блок электростимуляции электромиоскопа МG 440, стимулирующий электрод, спирт, 0,9 % NaCl (электронная паста), вата.

Ход работы: Включают блок электростимуляции электромиоскоп МG 440 в сеть, определяют минимальную силу тока при которой электрический импульс длительностью 0,005 мсек и частотой 5 Гц вызовет ответную реакцию, определяют минимальную силу тока, при которой электрический импульс длительностью 2 мсек и частотой 5 Гц вызовет ответную реакцию. По результатам эксперимента строят кривую силы длительности.

Рекомендации к оформлению работы: В разделе работы

«Результаты работы» зарисуйте кривую силы-длительности, определите величину сенсорной реобазы, полезного времени и хроноксии (переменный ток частотой 5 Гц).

Результаты работы:

48

Результаты работы:

Вывод:

Тема зачтена ___________подпись преподавателя

50