2 курс / Нормальная физиология / Физиология возбудимых тканей

2.При раздражении нерва НМП в мышце возникали ПД. Затем область концевой пластинки перфузировали раствором, содержащим ионы магния. При этом ПД в мышце перестали возникать. В чем причина?

3.Как изменится скорость поступления холина в нервное окончание при частой стимуляции нерва?

4.Миастения гравис – заболевание, при котором уменьшено количество холинорецепторов в постнаптических мембранах и поэтому ослаблена реакция мышц на раздражение нерва (мышечная слабость). Почему состояние больного улучшается при введении антихолинэстеразных препаратов?

5.Какая из трех нижеперечисленных реакций может иметь место при действии кураре: возникает ПКП и затем ПД; ПКП есть, а ПД нет: ПД есть, а ПКП нет?

6.Больному производят операцию под поверхностным наркозом, который обладает рядом преимуществ. Однако при этом возможно появление случайных движений и повышение тонуса мышц, что нежелательно. Какие действия Вы предпримете, чтобы избежать этих нежелательных явлений?

7.Как доказать в эксперименте, что холинорецепторы находятся только в концевой пластинке, но не в других участках мембраны мышечного волокна?

Внимание! Перед Вами научно-фантастическая задача. Подобные задачи также предназначены для развития физиологического мышления, но в отличие от обычных учебных задач Вам предоставляется право на то, что называют полетом воображения. Разумеется, фантазировать нужно не на ровном месте, а опираясь на уже известные науке факты. При этом очень желательно, чтобы Вы конкретизировали свой ответ, то есть описали не только само предполагаемое явление, но и возможный его механизм.

8.Придумайте новый тип синапса, в котором возбуждение передавалось бы не электрическим путем (как в электрическом синапсе) и не при помощи медиатора (как в химическом синапсе). Новым должен быть только механизм синаптической передачи, все остальные процессы остаются неизменными.

110

Физиология мышц

1.Величина МП мышечного волокна уменьшилась. Станет ли при этом разница между возбудимостью этого волокна и иннервирующего его нервного волокна больше или меньше?

Решение. Правило АСП. Возбудимость характеризуется величиной порогового потенциала. Для мышечных волокон эта величина больше, так как у них МП более отрицателен, чем у нервных волокон. При уменьшении МП мышечного волокна его пороговый потенциал тоже уменьшится и, следовательно, уровень возбудимости повысится и приблизится к таковому у нервного волокна.

2.Икроножную мышцу лягушки раздражали одиночными электрическими ударами. Установили минимальную частоту раздражения, при которой возникали соответственно зубчатый и гладкий тетанус. Затем в мышце вызвали утомление и повторили определение. Как изменилась минимальная частота, вызывающая зубчатый и гладкий тетанус (увеличилась или уменьшилась)? Для какого вида тетануса изменения оказались более значительными?

Решение. Применим правило АР. Чем отличаются одиночные сокращения свежей и утомленной мышцы? Для ответа нужно вспомнить, что сокращение утомленной мышцы по сравнению со свежей более растянуто во времени, причем в большей степени увеличивается фаза расслабления. Раз все сокращения в целом удлинились, то суммация сокращений будет происходить уже при более редких раздражениях. А поскольку фаза расслабления удлиняется больше, чем фаза укорочения, то для получения зубчатого тетануса частота раздражения уменьшается в большей степени, чем для получения гладкого.

3.К покоящейся мышце подвесили груз. Как при этом изменится ширина Н-зоны саркомера?

Решение. Н-зона – это центральный участок толстой протофибриллы (миозиновой нити), который не перекрыт тонкими протофибриллами (актиновыми нитями). При растяжении мышцы степень перекрытия миозиновых нитей уменьшается, так как актиновые нити частично выходят из промежутков между миозиновыми нитями. Соответственно ширина Н-зоны увеличивается.

111

4.На мышечное волокно наносят с очень малым интервалом два раздражителя и регистрируют одновременно миограмму и электромиограмму. На какой из этих двух кривых можно установить, попало второе раздражение в АРП или нет?

Решение. Задача простая, но она демонстрирует необходимость строго последовательных рассуждений. Правило АСП. Если второе раздражение попадает в АРП, волокно сократится при первом раздражении, а если не в АРП, волокно ответит на оба раздражения. Можно ли на миограмме увидеть, что имели место два сокращения? Можно, но только в том случае, когда второе раздражение попадает в фазу расслабления. В нашем же случае интервал между раздражителями очень мал (возможно попадание второго воздействия в АРП). Продолжительность АРП во много раз меньше продолжительности фазы укорочения. Поэтому, если даже волокно сократится оба раза, на миограмме мы получим одно суммарное сокращение. В то же время на электромиограмме мы зарегистрируем соответственно один или два ПД. Итак, ответ – на ЭМГ.

5.Совпадают ли физическое и физиологическое понятия работы мышц?

Решение. Нет, не всегда совпадают. В физическом смысле механическая работа измеряется произведением силы на расстояние. В случае изотонического сокращения мышца действительно перемещает какой-то груз на некоторое расстояние. Однако при изометрическом сокращении (например, при попытке поднять непосильный груз) укорочения мышцы не происходит. Значит, в физическом смысле механическая работа равна нулю. Тем не менее в мышце затрачивается энергия, которая идет на развитие напряжения в мышечных волокнах. Следовательно, в физиологическом смысле работа совершается.

6.Почему быстрые мышцы при сокращении потребляются в единицу времени больше энергии АТФ, чем медленные?

Решение. Типичная задача для использования правила АР. Основное отличие быстрых мышц от медленных состоит в том, что они, как показывает само название, укорачиваются более быстро. Это ответ на макроуровне. Однако в условии задачи говорится об использовании энергии АТФ. Следовательно, необходимо перейти на микроуровень. Каков молекулярный механизм со-

112

кращений? Прикрепление поперечных мостиков миозиновых нитей к актиновым нитям – активация актином АТФазы миозина, содержащейся в головке поперечного мостика – расщепление АТФ на АДФ и фосфорный остаток – выделение энергии, которая позволяет мостику совершать гребковое движение – укорочение саркомера. Теперь понятно, что при быстром сокращении мостики совершают больше гребковых движений в единицу времени и на это затрачивается больше энергии АТФ.

7.Как изменится минимальная частота раздражений, вызывающая тетанус, если будет ослаблена работа кальциевого насоса в мышце? Можно ли уменьшить этот эффект путем охлаждения мышцы?

Решение. Применяем правило АСП. Кальциевый насос откачивает ионы кальция из межклеточной среды в систему сар-

коплазматического ретикулума. При этом используется энергия АТФ. Когда концентрация Са+ в межклеточной среде уменьшается, происходит инактивация АТФазы миозина, отсоединение поперечных мостиков миозина от активных нитей и расслабле-

ние мышцы. Если работа кальциевого насоса ослабевает, то уход Са+ из межклеточной среды замедлится, расслабление мышцы также замедлится и тетанус будет возникать при более низкой частоте раздражения. Поскольку охлаждение замедляет скорость химических реакций, то оно будет способствовать не ослаблению, а усилению указанного эффекта.

8.Когда быстрее наступит посмертное окоченение мышцы (ригор): если перед смертью имело место длительное угнетение тканевого дыхания или если такого угнетения не было?

Решение. Необходимо применить правило АСП. Почему наступает ригор? Причина в быстром исчезновении из мышечной ткани молекул АТФ. АТФ необходима для работы кальциевого насоса и для расщепления актомиозинового комплекса, после каждого очередного присоединения миозина к актину и перемещения актиновой нити на «шаг». Прекращение работы кальциевого насоса приведет к накоплению кальция в межклеточной среде, образованию актомиозиновых комплексов и укорочению мышцы. При отсутствии АТФ не происходит откачки кальция и рассоединения актина и миозина. Возникает длительное сокращение мышцы. Почему окоченение мышц не происходит при жизни? Потому что

113

запасы АТФ все время возобновляются путем ее ресинтеза за счет окислительных процессов (тканевого дыхания). Если тканевое дыхание было угнетено, то еще при жизни возник дефицит АТФ. После смерти ее запас истощится быстрее и, соответственно, в этом случае быстрее возникает посмертное окоченение.

9.В опыте на животном раздражали нервы, иннервирующие мышцы N1 и N2. Первая мышца при этом сократилась, а вторая – расслабилась. Затем раздражали непосредственно каждую из этих мышц с частотой 15 в минуту. В какой из мышц при этом возникло длительное сокращение типа тетануса?

Решение. У второй мышцы по сравнению с первой две особенности: 1 – мышца была сокращена еще до раздражения, 2 – раздражение вызвало угнетение (расслабление). Такие свойства присущи гладким мышцам в отличие от скелетных. Значит, первая мышца скелетная, а вторая – гладкая. Теперь применим правило АР. Между скелетными и гладкими мышцами много различий. Но нас интересует только то, которое связано возникновением длительного сокращения (тетанус). При очень малой частоте раздражения (15 в минуту) тетанус может возникать в мышце, сокращение которой протекает очень медленно. Ответ – во второй мышце.

Примечание. Проверьте, внимательно ли Вы читаете текст. Частота раздражений 15 в минуту, а не в секунду, как обычно указывается.

10.Из мочеточника и крупной артерии животного вырезаны отрезки одинаковой длины и помещены в раствор Рингера. Можно ли путем наблюдения (без каких-либо воздействий) отличить одно от другого? Различия во внешнем виде во внимание не принимаются.

Решение. Поскольку никакие воздействия не производятся, то сами объекты должны вести себя по-разному. Одна из важных особенностей гладких мышц – наличие автоматии (способность к спонтанным сокращениям). Однако не во всех органах она выражена одинаково. Высокая активность в гладких мышцах желудка, кишечника, мочеточника, матки (вспомните, как функционируют эти органы). Очень низкая активность в мышцах артерий, семенных протоков. Следовательно, даже изолированный и помещенный в раствор Рингера отрезок мочеточника будет самопроизвольно сокращаться, а отрезок артерии – нет.

114

Задачи для самостоятельного решения

1.Опыт вторичного тетануса заключается в том, что нерв одного НМП накладывают на мышцу другого НМП. Затем раздражают электрическими импульсами нерв второго препарата. При этом сокращается тетанически не только мышца этого препарата, но и первая мышца. Почему из этого опыта можно сделать вывод, что возбуждение имеет прерывистую природу?

2.Правило средних нагрузок говорит о том, что любая мышца совершает наибольшую работу при средних нагрузках. Нарисуйте график, иллюстрирующий эту зависимость для трех различных мышц.

3.Основные зоны саркомера I, А, Н. Ширина какой из них не изменяется при сокращении мышцы?

4.Каков главный компонент электромеханического сопряжения в мышце? Как доказать ключевую роль этого компонента?

5.Почему при раздражении разных двигательных единиц одной и той же мышцы можно получить сокращения различной силы?

6.Мышца состоит из волокон, волокна из миофибрилл, а те,

всвою очередь, из протофибрилл. Какие из всех перечисленных объектов укорачиваются во время сокращения?

7.В мышечных волокнах имеется система поперечных трубочек, а в нервных она отсутствует. В чем физиологический смысл этого различия?

8.На изолированной скелетной мышце поставили три опыта. Сначала мышцу раздражали в обычном состоянии, затем предварительно растянули ее (в небольшой степени) и раздражали током той же силы и, наконец, предварительно растянули значительно и снова раздражали тем же током. Как различались сила сокращения мышцы в этих трех опытах? В чем причина этих различий?

9.Возможно ли, чтобы при рабочей гипертрофии мышцы ее абсолютная сила не увеличилась? Объясните Ваш ответ.

10.Представьте себе, что у какого-то животного имеется полый орган, стенки которого содержат не гладкие, а скелетные мышцы. Какими экспериментами можно было бы установить это? Из всех возможностей выберите самую простую.

115

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1.Мерой возбудимости является порог раздражения. Если при повторных изменениях величина порога все время увеличивалась, значит, возбудимость прогрессивно снижалась.

2.Самый общий показатель возбуждения – возникновение ПД. Следовательно, нужно зарегистрировать ПД по обе стороны от раздражающих электродов. Если мы работаем с НМП, то отводящие электроды можно разместить только по одну сторону от раздражающих электродов, а с другой стороны индикатором возбуждения нерва будет сокращение мышцы.

3.Правило АСП. В абсолютном рефракторном периоде (АРП) ткань полностью невозбудима. Эта фаза возникает на очень короткое время после каждого возбуждения. Чтобы возник АРП, нужно нанести раздражение и вызвать возбуждение. Чтобы обнаружить АРП, нужно нанести второе раздражение и проверить, возникает ли снова возбуждение (ПД). Увеличивая интервал между раздражителями, находим минимальный промежуток времени, при котором ПД появляется и при втором раздражении. Допустим, он равен 3 мс. Значит, продолжительность АРП и есть 3 мс (строго говоря, чуть меньше).

4.Правило АР. Главное различие в условии опыта – неодинаковый интервал между раздражениями. Главное различие в результатах – неодинаковая величина сокращения. При одной и той же силе раздражителя величина сокращения зависит от возбудимости мышцы. Значит, при изменении интервала между раздражителями второе раздражение застает мышцу в состоянии по-разному измененной возбудимости. Это фазы изменений возбудимости, следующие за АРП, – относительная рефракторная фаза, супернормальная, субнормальная.

5.Задача простая, но для ее решения нужно иметь навыки экспериментального физиологического исследования. Если в области полюсов постоянного тока возбудимость нерва меняется, значит, нужно измерить ее до и после включения постоянного тока. Для этого рядом с катодом и анодом устанавливают на нерве дополнительные раздражающие электроды и определяют при их помощи пороги раздражения в исходном состоянии и после включения тока.

116

6.Очевидно, нужно выбрать правило АР. Без микроэлектрода величина ПП постоянна, при введении микроэлектрода в клетку ПП со временем начинает снижаться. В чем различия этих двух состояний? Прежде всего в том, что микроэлектрод повреждает мембрану. Через поврежденный участок происходит утечка ионов, а это приводит к уменьшению ПП.

7.В условии задачи нет никакой дополнительной информации. Поэтому ответ можно дать только в общей форме. Величина

ППзависит от ионных потоков (К+, Nа+, Сl-). Эти потоки, в свою очередь, зависят от разности концентрации этих ионов по обе стороны мембраны и от ее проницаемости. Значит, даже в состоянии покоя эти концентрации и проницаемость мембраны могут испытывать небольшие колебания под влиянием случайных процессов.

8.Правило АСП. Какое главное условие возникновения ПП? Разная концентрация ионов калия по обе стороны мембраны. Что произойдет (ситуация а), если аксон перфузируют раствором NaCl? Ионы калия будут вымываться из аксона и заменяться ионами натрия. Так как калия внутри аксона больше, чем снаружи, то его концентрации по обе стороны мембраны будут в ходе перфузии выравниваться и ПП уменьшится до нуля. В си-

туации б) неравновесность концентраций калия восстановится, но теперь уже снаружи аксонов ионов К+ будет больше, чем внутри. ПП восстановится по величине, но диффузия калия пойдет в обратном направлении, и поэтому внутри аксона заряд будет не отрицательным, как обычно, а положительным.

9.Разность концентраций NaCl по обе стороны мембраны уменьшится, и ПД уменьшится или вообще не возникнет.

10.Вход натрия в клетку сразу же компенсировался бы выходом калия, поэтому не происходила бы деполяризация мембраны и не возникал бы ПД.

11.Эта задача решается очень просто по правилу АС. Клетка, как система, состоит из двух основных элементов – цитоплазмы и мембраны. Если вещество не проникает в клетку, значит, оно может подействовать только на мембрану. Это действие может выразиться в блокаде ионных каналов, повреждении структурных компонентов мембраны и т.д. Во всех случаях состояние клетки изменится.

12.Правило АСП. Электропроводность – это способность

проводить электрический ток. Во время возбуждения ионные

117

потоки через мембрану резко увеличиваются, значит, электропроводность возрастает.

13.Все эти раздражители способны вызывать деполяризацию мембраны, что приводит к возбуждению.

14.Пороговый потенциал – это разность между уровнями КУД и ПП. Если уровень КУД не изменился, а пороговый потенциал увеличился, значит, увеличился МП, произошла гиперполяризация мембраны. Это ведет к снижению возбудимости.

15.Условие задачи должно подсказать Вам, что она должна решаться по правилу АСП. Действительно, мы имеем две ситуации; а) отсутствие кислорода, б) разный диаметр нервов. При отсутствии кислорода нарушаются метаболические процессы в нерве. В основном энергия тратится на работу натриево-калиевого насоса. Прекращение работы насоса приведет поэтому к выравниванию ионных концентраций по обе стороны мембраны и исчезновению возбудимости. Нервы разного диаметра имеют разные свойства, например, разная скорость проведения возбуждения, разная продолжительность пика ПД и т.д. Но в данном случае наиболее важно то, что в тонком волокне меньше запас ионов

ипри каждом импульсе возбуждения концентрация ионов будет поэтому меняться быстрее, чем в толстом волокне. А поскольку натриево-калиевый насос в отсутствие кислорода не работает, то тонкое волокно перестает генерировать ПД раньше, чем толстое.

16.Протеолитические ферменты расщепляют белковые молекулы. Эти молекулы входят в стенки ионных каналов и в состав «задвижек», открывающих и закрывающих эти каналы. Следовательно, нарушится проницаемость мембраны для ионов.

17.Правило АСП. Здесь две ситуации: а) охлаждение нерва, б) разные фазы возбуждения – генерация ПД и восстановительный период. Сопоставим эти два явления. Охлаждение вызывает замедление реакций, причем химических в большей степени, чем физических. Это понятно, поскольку при понижении температуры энергия теплового движения молекул снижается, а именно от уровня этой энергии зависит вероятность молекул в реакцию при их столкновениях. Теперь рассмотрим вторую ситуацию. При возбуждении ионные потоки идут через мембрану по градиенту концентрации от большего к меньшему. Это физический процесс – диффузия. В восстановительном периоде ионы идут в обратном

118

направлении против градиента концентрации. Для этого необходима работа натриево-калиевого насоса, затрачивающего энергию метаболизма. В любой живой системе энергия доставляется за счет химических реакций. Следовательно, при охлаждении нервной клетки произойдет замедление процесса возбуждения, главным образом, фазы восстановления.

18.ПД не возникает, так как подаваемое напряжение не позволит (из-за обратного знака) возникшему локальному ответу достичь КУД.

19.На примере этой задачи Вы познакомитесь с важным положением, которое может впоследствии пригодиться Вам в практической врачебной деятельности. В медицине весьма часто встречаются ситуации, когда к отрицательному выводу в отношении какого-либо воздействия приходят только потому, что не были найдены оптимальные параметры этого воздействия (интенсивность, продолжительность, частота, время суток и т.д.). Во времена Дюбуа-Реймона техника еще не позволяла получать очень короткие электрические воздействия. Если бы он мог не остановиться на величине 0,01 с, а уменьшить продолжительность раздражения еще

в10-100 раз, то зависимость была бы установлена.

20.Правило АР. Между перечисленными объектами можно найти много различий. Однако в условии есть ссылка на предыдущую задачу. Из ее решения следует, что основная техническая трудность была связана с невозможностью наносить очень короткие раздражения. Успех мог прийти, если исследование проводить на объекте, в котором возбуждение возникает и протекает более медленно. Тогда искомую зависимость можно было бы обнаружить и при использовании относительно продолжительных воздействий. Из перечисленных объектов самый «медленный» – гладкая мышца мочеточника кролика. Именно на ней и удалось установить закон «силы–времени».

21.При таком расположении полюсов содержимое клетки приобретает под влиянием катода еще более отрицательный заряд. Пороговый потенциал увеличивается (а не уменьшается) и поэтому возбуждение не может возникнуть, так как не происходит деполяризация.

22.Правило АСП. Хронаксия – это время, в течение которого должен действовать ток силой в 2 реобазы, чтобы вызвать

119