close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Физиология возбудимых тканей

код для вставкиСкачать
лекции по физиологии
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФИЗИОЛОГИИ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ
1. Понятие о раздражимости и возбудимости живых структур
2. Понятие о мембранном потенциале покоя и его природе
3. Типы электрического ответа возбудимых структур. Природа потенциала действия
4. Основные электрофизиологические параметры возбудимых структур
1. Понятие о раздражимости и возбудимости живых структур
Раздражимость - это общее свойство всех живых систем, проявляющееся в их способности определенным образом отвечать (реагировать) на действие раздражителя. Оно присуще всем живым организмам на разных уровнях организации живого: от клеточного до организменного. Причем примером раздражимости на организменном уровне является любая ответная реакция организма на действие раздражителя рефлекторного характера (например, человек прикасается к горячему и моментально одергивает руку). Примером раздражимости на клеточном уровне служат любые ответные реакции клетки на действие раздражителей. При этом ответная реакция клетки может проявляться в изменении метаболизма, проницаемости мембраны для каких-то ионов, синтезе и секреции определенных веществ и т.д. Характер же главенствующей реакции клетки зависит от типа ткани и рода раздражителя. Например, мышечные клетки в ответ на действие раздражителей (будь то нервный импульс, механическое или какое-либо другое воздействие) способны отвечать сокращением, хотя при этом в мышечном волокне происходят и другие изменения (интенсивности обменных процессов, ионной проницаемости мембраны и т.д.). Первостепенной же реакцией секреторных клеток на действие раздражителя является синтез и выделение из клетки (секреция) определенных веществ.
Клетки некоторых тканей способны электрически отвечать на действие раздражителя, т.е. их доминирующей реакцией является кратковременное обратимое изменение заряда на мембране (мембранного потенциала). Такое частное проявление раздражимости называется возбудимостью и свойственно трем типам тканей: нервной, мышечной и железистой, получивших в связи с этим название возбудимых тканей.
Следовательно, раздражимость свойственна всем живым структурам, тогда как ее частное проявление - возбудимость - характерно лишь для трех типов тканей (нервной, мышечной и железистой) и заключается в способности клеток этих тканей электрически отвечать на действие раздражителя.
2. Понятие о мембранном потенциале покоя и его природе
В состоянии покоя мембраны всех живых клеток заряжены, причем в большинстве случаев внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно, а наружная - положительно. Существующая в состоянии покоя разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны получила название мембранного потенциала покоя (или просто мембранного потенциала). Когда численно выражают величину мембранного потенциала, то при этом, как правило, указывают заряд внутренней поверхности мембраны, а заряд наружной условно принимают равным нулю. Величина мембранного потенциала в клетках разных тканей неодинакова, но в одной и той же клетке в покое при нормальном ее состоянии является постоянной. Так, в клетках рыхлой волокнистой соединительной ткани мембранный потенциал составляет -15мВ, в эритроцитах - -30мВ, в гладких мышечных клетках - -50--60мВ, в нервных клетках - -70мВ, в скелетных мышечных волокнах - -90мВ (самый высокий потенциал по сравнению с другими живыми структурами) и т.д.
Возникновение заряда на мембране живой клетки, согласно мембранно-ионной теории Бернштейна, Гольдмана, Ходжкина и Кацта, обусловлено двумя обстоятельствами:
> неодинаковой проницаемостью мембраны для различных ионов (т.н. полупроницаемостью или избирательной проницаемостью мембраны);
> неодинаковой концентрацией определенных ионов по обе стороны мембраны (т.е. существованием трансмембранных градиентов для определенных ионов или ассиметричным их распределением по обе стороны мембраны).
Так, например, внутри живой клетки концентрация калия в 40-50 раз больше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия, напротив, в 7-10 раз больше снаружи клетки, чем изнутри. Трансмембранные градиенты существуют и для других ионов. Например, содержание кальция и хлора в межклеточных щелях выше такового в цитоплазме клеток. Описанные трансмембранные градиенты для ионов создаются и поддерживаются деятельностью ионных насосов - систем активного транспорта, которые транспортируют ионы против концентрационных градиентов (из области с меньшей концентрацией в область с большей концентрацией), а следовательно, с затратой энергии в форме АТФ. Типичным примером такого ионного насоса является насос, создающий и поддерживающий трансмембранный градиент для ионов Na+ и K+. Этот насос представлен белком-переносчиком ионов Na+ и K+ и ферментом Na+/K+-АТФазой (Na+/K+-АТФгидролазой), расщепляющей (гидролизующей) АТФ. За каждый цикл своей работы насос выносит из клетки 3 иона Na+ и возвращает в клетку 2 иона K+, затрачивая на такой транспорт 1 молекулу АТФ.
Рис. 1. Схема строения плазматической мембраны. Плазматическая мембрана представляет собой белково-липидный комплекс. В основе мембраны лежит билипидный слой, образованный молекулами фосфолипидов. Причем фосфолипиды ориентированы таким образом, что их полярные (гидрофильные головки) обращены к внутренней и наружной поверхностям мембраны, а гидрофобные хвосты - друг к другу (т.е. располагаются в толще мембраны). К билипидному слою прилежат или пронизывают его молекулы белков, выполняющих транспортную, рецепторную, ферментативную, регуляторные и другие функции.
Рис. 2. Схематическое представление работы Na+/K+- насоса плазматической мембраны
Существование трансмембранных градиентов для определенных ионов (т.е. их ассиметричное распределение по обе стороны мембраны) является предпосылкой для последующего пассивного транспорта ионов через мембрану по концентрационным градиентам (т.е. из области, где их концентрация больше, в область, где она меньше). Такой пассивный транспорт ионов (не требует затраты энергии) осуществляется через специальные каналы "утечки" для ионов, представляющие собой поры в мембране, стенки которых ограничены белковыми молекулами. Причем диаметр поры определяет селективность канала (избирательность для определенных ионов): чем он меньше, тем более селективен канал и наоборот. Интенсивность пассивного транспорта иона через мембрану зависит, во-первых, от плотности каналов "утечки" для этого иона в мембране (определяющей ее проницаемость для иона) и, во-вторых, от величины трансмембранного градиента для иона.
Рис. 3. Схематическое изображение каналов пассивной утечки ионов в плазматической мембране
В связи с тем, что концентрация ионов калия внутри клетки гораздо больше таковой снаружи они пытаются выйти из клетки, а ионы натрия, кальция, хлора и некоторые другие, наоборот, пытаются проникнуть в клетку. Но мембрана клеток избирательна проницаема: для одних ионов хорошо проницаема (например, для калия), для других - значительно менее проницаема (например, для натрия и кальция), для третьих - вообще непроницаема (например, для органических анионов, в том числе, анионов органических кислот). Так, в покое в нервном волокне проницаемость мембраны для ионов К+ Na+ и Сl- относится как 1:0,04:0,45. Таким образом, преобладающим в покое будет выходящий из клетки калиевый ток, тогда как все остальные пассивные ионные токи будут гораздо более слабыми по сравнению с током ионов калия. Вместе с тем в живой клетке в состоянии покоя существует условие электронейтральности: все положительные заряды внутриклеточного содержимого в сумме уравновешивают все отрицательные, и поэтому суммарный заряд клетки равен нулю. В связи с отмеченным выходящие из клетки в покое положительно заряженные ионы калия будут тянуть за собой анионы, которые они электростатически уравновешивали (преимущественно анионы органических кислот). Но мембрана непроницаема для анионов, поскольку в ней самой находится много отрицательно заряженных групп (отрицательно заряженные группы фосфолипидов мембраны и некоторых белков). В результате этого анионы стремятся выйти за калием из клетки по электрическому градиенту, но проникнуть через мембрану не могут и скапливаются у внутренней ее поверхности, притягивая положительно заряженные ионы со стороны наружной поверхности мембраны (преимущественно ионы натрия, поскольку концентрация натрия снаружи клетки больше таковой для калия). Таким образом, происходит электрическая поляризация мембраны: она изнутри заряжается отрицательно, а снаружи положительно (т.е. устанавливается мембранный потенциал).
Рис. 4. Схема возникновения электрической поляризации мембраны
В самом простом случае (если только учитывать диффузию ионов калия через мембрану) потенциал покоя можно рассчитать по формуле Нернста для калиевого равновесного потенциала:
Емембр.= ЕК+= Если принять отношение концентраций калия снаружи и внутри клетки равным 1/50, то мембранный потенциал, рассчитанный по формуле Нернста для калиевого равновесного потенциала должен быть равен -97,5 мВ. Однако самое большое его значение характерно для скелетных мышечных волокон и составляет всего -90мВ. Отмеченное несоответствие между реальным мембранным потенциалом в живых системах и рассчитанным по формуле для равновесного калиевого потенциала обусловлено тем, что через мембрану, наряду с калием, диффундируют и другие ионы со значительно более слабой интенсивностью. В связи с этим более правильно величину мембранного потенциала отражает уравнение Гольдмана, Ходжкина, Катца, которое учитывает влияние на величину мембранного потенциала диффузии через мембрану ионов калия, натрия и хлора.
Eмембр.= Данное уравнение определяет зависимость мембранного потенциала от проницаемости мембраны для ионов натрия, калия и хлора и от градиента концентрации этих ионов по обе стороны мембраны. Его можно несколько усложнить, если учитывать диффузию через мембрану и других ионов (например, кальция). Мембранный потенциал, создаваемый диффузией ионов через мембрану, называется концентрационным потенциалом.
Наконец, уравнение Гольдмана, Ходжкина, Кацта не учитывает электрогенной роли Na+/K+-АТФазы. Данный насос работает так, что за каждый цикл своей работы выносит из клетки больше положительных зарядов (3 иона натрия), чем возвращает их в клетку (2 иона калия), в связи с чем генерирует дополнительную разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией ионов по концентрационным градиентам (т.н. концентрационным потенциалом).
Таким образом, мембранный потенциал является суммой концентрационного потенциала мембраны и потенциала, создаваемого в результате электрогенной работы Na+/K+-насоса.
Схематическое представление природы мембранного потенциала покоя
1. Ионы по обе стороны мембраны распределены асимметрично, что создает предпосылку для пассивного их движения через мембрану по концентрационному градиенту
2. Но мембрана избирательно проницаема для различных ионов (полупроницаема). Так, в состоянии покое соотношение проницаемостей мембраны нервного волокна для ионов калия, натрия и хлора составляет рК+: рNa+: рCl_ = 1:0,04:0,45. Следовательно, преобладающим в состоянии покоя в нервном волокне является выходящий К+-ток, а токи всех остальных ионов будут мизерны по сравнению с выходящим калиевым током
3. Вместе с тем внутреннее содержимое клетке в норме электронейтрально (т.е. суммарный заряд цитоплазмы равен нулю, благодаря тому, что суммарный заряд всех катионов уравновешивает таковой анионов)
4. В связи с этим выходящий из клетки калий будет тянуть за собой анионы (в основном, органических кислот), которые он электростатически уравновешивал. Причем анионы пытаются выйти вслед за калием из клетки по электрическому градиенту
5. Но мембрана не проницаема для органических анионов, поскольку в ней самой содержится много отрицательно заряженных групп. В связи с этим избыток анионов, следующих по электрическому градиенту за выходящими из клетки ионами калия, покинуть клетку не может и скапливается у внутренней поверхности мембраны, притягивая положительные заряды со стороны наружной ее поверхности (преимущественно ионы Na+). Возникает электрическая поляризация мембраны: изнутри она заряжается отрицательно, а снаружи - положительно.
Следовательно, мембранный потенциал создается преимущественно благодаря диффузии ионов калия по концентрационному градиенту (хотя имеет место и гораздо более слабая диффузия других ионов, накладывающая свой отпечаток на величину мембранного потенциала). Электродвижущей силой мембранного потенциала покоя является трансмембранный градиент для ионов К+.
В связи с тем, что Na+/K+-насос имеется в мембранах всех живых структур и функционирует постоянно, пока клетка жива и в ней нормально протекают обменные процессы, трансмембранные градиенты существуют и поддерживаются на мембранах всех клеток животного организма, а, следовательно, и мембраны всех живых клеток в покое являются заряженными (поляризованными: изнутри скапливается избыток отрицательно заряженных ионов, который притягивает положительные заряды со стороны наружной поверхности мембраны). Вместе с тем неодинаковая величина мембранного потенциала покоя в различных клетках организма объясняется неодинаковой проницаемостью их мембраны для тех или иных ионов, мигрирующих через нее в покое. Так, мембраны гладких мышечных клеток значительно лучше, чем нервных клеток, проницаемы для натрия, в связи с чем их мембранный потенциал (-40 - -50 - -60 мВ) несколько ниже такового нервных клеток (-70мВ). Мембраны скелетных мышечных волокон хорошо проницаемы для хлора, тогда как проницаемость для этого иона всех остальных клеток гораздо ниже, в связи с чем скелетные мышечные волокна характеризуются самым высоким (-90мВ), по сравнению с другими живыми клетками, мембранным потенциалом.
Значение мембранного потенциала покоя для клетки состоит в том, что он определяет наличие в мембране электрического поля определенной напряженности, которое обуславливает определенную ориентацию заряженных групп макромолекул мембраны, а, следовательно, и определенную их пространственную структуру (в том числе белков), необходимую для
> проявления активности ферментов мембраны;
> нормального состояния рецепторов мембраны;
> нормального состояния ионных каналов мембраны, а следовательно, и нормального ионного транспорта и т.д.
В клетках возбудимых тканей мембранный потенциал покоя определяет нормальное состояние электровозбудимых (потенциалзависимых) ионных каналов, такое при котором мембрана возбудимой структуры покоится (не генерирует электрический ответ), но готова к возбуждению при действии раздражителя определенной силы.
Уменьшение мембранного потенциала (сдвиг его в более положительную сторону) называют деполяризацией мембраны, а увеличение электрической поляризации мембраны (сдвиг в более отрицательную сторону) - гиперполяризацией мембраны. Например, мембранный потенциал покоя нервного волокна (аксона нервной клетки) составляет -70мВ. Если он под действием какого-то раздражителя становиться равным, к примеру, -50мВ, то говорят, что произошла деполяризация мембраны, а если -120мВ - гиперполяризация мембраны.
3. Типы электрического ответа возбудимых структур. Природа потенциала действия
Отличительной особенностью возбудимых тканей является возбудимость - способность электрически отвечать на действие раздражителя (т.е. их ответ состоит в кратковременном обратимом изменении мембранного потенциала (заряда на мембране)). Несмотря на то, что мембраны всех живых клеток в покое заряжены (поляризованы), обратимо изменять этот заряд в ответ на действие определенного раздражителя способны только клетки возбудимых тканей (нервной, мышечной и железистой) благодаря наличию в составе своей мембраны, наряду с каналами пассивной утечки ионов (присущими мембранам всех живых клеток), специальных электровозбудимых каналов.
Электровозбудимые каналы отличаются от каналов пассивной утечки ионов тем, что имеют своеобразные ворота (образованные белковыми молекулами) и способны изменять свое состояние (канал открыт и пропускает ионы или закрыт и не пропускает ионы) в зависимости от заряда на мембране (т.е. от величины мембранного потенциала), тогда как каналы пассивной утечки ионов не имеют ворот и открыты постоянно независимо от степени поляризации мембраны. Электровозбудимые каналы представляют собой своеобразную пору (отверстие), стенки которой образованы белковыми молекулами, причем такая пора имеет суженный участок (фильтр), диаметр которого определяет селективность (избирательность) канала по отношению к определенным ионам. Наряду с этими общими чертами строения, характерными и для каналов пассивной утечки ионов, электровозбудимые каналы отличаются наличием в области своего фильтра специальных белковых молекул, представляющих собой своеобразные ворота канала. Причем при определенной пространственной структуре этих белков они могут либо закрывать собой вход в канал (ворота закрыты, канал непроницаем для ионов) либо занимать такое положение в канале, при котором через него проходят ионы (ворота открыты, канал проницаем для ионов). Пространственная же структура белков-ворот электрогенных каналов во многом зависит от заряда на мембране. Так, в случае, если величина заряда на мембране соответствует мембранному потенциалу покоя, определенные ворота в электрогенных каналах закрыты, и каналы непроницаемы для ионов. При некотором же сдвиге мембранного потенциала в положительную сторону (в случае деполяризации мембраны) эти ворота, закрывающие вход в канал в состоянии покоя, начинают открываться по той причине, что белки, их образующие, изменяют свою конформацию (пространственную структуру) при изменении электрического поля на мембране (мембранного потенциала). Причем открытое и закрытое состояние ворот, конечно же, во многом зависит от величины мембранного потенциала, но в тоже время при определенном заряде на мембране носит вероятностный характер (т.е. определенный заряд на мембране лишь предопределяет нахождение большей части ворот электрогенных каналов в том или ином состоянии, но не гарантирует полностью это состояние). Движение ионов через электрогенные каналы, подобно таковому через каналы пассивной утечки ионов, осуществляется пассивно (по градиенту концентрации иона) путем простой диффузии. Следовательно, и в данном случае электродвижущей силой для движения ионов через электрогенные каналы мембраны служат трансмембранные градиенты концентрации для этих ионов (т.е. ассиметричное распределение ионов по обе стороны мембраны).
Рис. 5. Схема различных состояний электровозбудимых натриевых каналов плазматической мембраны нервного волокна
Рис. 6. Схема различных состояний электровозбудимых калиевых каналов плазматической мембраны нервного волокна
Действие определенных раздражителей (будь-то электрический ток, или его аналог в живых системах - нервный импульс, химическое, механическое или температурное воздействие и т.д.) на живые структуры может приводить к некоторому изменению величины их мембранного потенциала (в сторону де- или гиперполяризации), но только лишь мембраны возбудимых клеток способны ответить электрически (т.е. кратковременным обратимым изменением мембранного потенциала) на это изменение поляризации своей мембраны, вызванное действием какого-то раздражителя, благодаря наличию в своей мембране электровозбудимых каналов, изменяющих свое состояние в зависимости от степени поляризации мембраны. Причем первоначальное изменение мембранного потенциала в сторону де- или гиперполяризации, вызванное исключительно действием раздражителя и несвязанное с изменением проницаемости мембраны для каких-то ионов, называется пассивным ответом клетки и может наблюдаться в любых живых структурах (не только в клетках возбудимых тканей). Амплитуда такого пассивного ответа клетки на действие раздражителя полностью соответствует его силе. Отличительной же особенностью клеток возбудимых тканей является то, что они способны в ответ на такой пассивный сдвиг заряда на своей мембране, вызванный действием какого-то раздражителя, генерировать дальнейшие кратковременные активные изменения мембранного потенциала, обусловленные временным изменением проницаемости мембраны для определенных ионов (т.е. генерировать активные электрические ответы). Различают две формы активных электрических ответов возбудимых структур на действие раздражителя:
> потенциал действия (нервный импульс);
> локальный ответ.
Потенциал действия (или нервный импульс) - это кратковременное обратимое изменение мембранного потенциала, амплитуда и продолжительность (временные характеристики) которого не зависят от силы раздражителя (важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой минимальной, достаточной для инициации потенциала действия величины, называемой пороговой силой раздражителя). Следовательно, амплитуда и продолжительность потенциала действия в различных возбудимых структурах отличаются друг от друга, но в одной и той же возбудимой клетке в норме характеризуются постоянством.
В потенциале действия (он получил такое название потому, что в отличие от потенциала покоя, характеризует активное состояние возбудимой структуры, ее ответ на действие определенного раздражителя) выделяют
> пик;
> и следующие за пиком следовые потенциалы.
В пике потенциала действия, в свою очередь, различают две фазы:
* фаза деполяризации (восходящая фаза потенциала действия);
* фаза реполяризации (нисходящая фаза потенциала действия).
Рис. 7. Схематическое представление электрического ответа в форме потенциала действия (нервного импульса) в нервном волокне
Фаза деполяризации мембраны (восходящая фаза потенциала действия) обусловлена входящим в клетку током положительных ионов (в большинстве случаев током ионов натрия (нервное волокно, скелетное мышечное волокно, проводящие сердечные волокна (кардиомиоциты)) и в некоторых структурах (большинство гладких мышечных волокон, рабочие кардиомиоциты и некоторые другие) - входящим кальциевым током).
Фаза реполяризации мембраны обусловлена выходящим из клетки током положительно заряженных ионов (в большинстве случаев ионов калия).
Рассмотрим природу фаз потенциала действия на примере нервного волокна - аксона нервной клетки. При действии на нервное волокно определенных раздражителей, сила которых не меньше пороговой (минимальной и достаточной для инициации потенциала действия) оно генерирует электрический ответ в форме нервного импульса (потенциала действия). Раздражитель, действующий на нервное волокно, первоначально несколько деполяризует его мембрану (сдвигает мембранный потенциал в более положительную сторону), причем такая деполяризация, вызванная исключительно действием раздражителя, является пассивной. Такая пассивная деполяризация мембраны приводит к изменению состояния электровозбудимых каналов мембраны нервного волокна. В мембране нервного волокна различают два типа электровозбудимых (потенциалзависимых) каналов: натриевые и калиевые.
Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот быстрые (активационные) и медленные (инактивационные), которые отличаются скоростью срабатывания (реагирования) на изменение мембранного потенциала и характером своей реакции. Так, и те и другие ворота срабатывают на деполяризацию мембраны, но активационные ворота открываются в ответ на деполяризацию мембраны, а инактивационные, наоборот, закрываются; причем кинетика срабатывания активационных ворот (открытия) на два порядка, т.е. в 100 раз, больше таковой инактивационных ворот (их закрытия). В связи с этим на какой-то очень короткий, строго определенный, промежуток времени электровозбудимый натриевый канал, сработавший на деполяризацию и имеющий два типа ворот, может находиться в открытом состоянии (состояние натриевой активации: активационные ворота уже успели открыться (сработать на деполяризацию), а инактивационные еще не успели сработать на деполяризацию закрытием) и пропускает ионы натрия по концентрационному градиенту, после чего его инактивационные ворота успевают сработать (изменить свою конформацию) и закрыть вход в канал, в результате чего канал переходит в инактивированное состояние (инактивационные ворота закрыты, а активационные остаются открытыми) и не пропускает ионы. Следовательно, благодаря наличию двух типов ворот, по-разному реагирующих на деполяризацию мембраны и отличающихся скоростью реагирования, натриевые каналы, сработавшие на деполяризацию, могут находиться в открытом состоянии лишь строго определенный промежуток времени.
Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот - активационные, срабатывающие на деполяризацию открытием, но гораздо более медленно (где-то в 100 раз медленнее) по сравнению со скоростью открытия активационных ворот натриевых каналов. В связи с этим калиевые каналы, подобно натриевым, начинают открываться на исходную деполяризацию мембраны, вызванную действием раздражителя, но открываются с гораздо меньшей скоростью и, в отличие от натриевых каналов, могут оставаться открытыми до тех пор, пока продолжается деполяризация мембраны (т.е. до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному, характерному для состояния покоя, уровню).
В связи с тем, что и калиевые и натриевые каналы срабатывают на деполяризацию открытием активационных ворот, но калиевые более замедленно по сравнению с натриевыми, на очень короткий промежуток времени возникает такое состояние (активационные ворота натриевых каналов уже открылись, а инактивацтионные их ворота еще не успели закрыться, активационные ворота калиевых каналов еще не успели открыться), при котором преобладающим является входящий в клетку натриевый ток, деполяризующий мембрану. Так, если в состоянии покоя отношение проницаемости мембраны для калия к таковой для натрия составляет 1:0,04, то при возбуждении на очень короткое время (от нескольких десятых миллисекунды до нескольких мс) это отношение становится равным 1:20. Следовательно, преобладающим при возбуждении нервного волокна будет входящий натриевый ток, который деполяризует мембрану. По истечении какого-то определенного, стандартного для данной возбудимой структуры интервала времени большая часть открывшихся на исходную деполяризацию мембраны натриевых каналов переходит в инактивированное состояние (инактивационные ворота успевают закрыться), а все больше калиевых каналов успевают открыться (сработать на исходную деполяризацию открытием своих единственных активационных ворот). Таким образом, по истечении определенного промежутка времени от начала действия раздражителя возникает такая ситуация, что большая часть натриевых каналов уже успела закрыться (перейти в состояние инактивации), а большая часть калиевых - напротив, уже открылась. Отмеченное обстоятельство приводит к тому, что преобладающим в этой ситуации будет уже не входящий в клетку натриевый, а выходящий из клетки калиевый ток. Усиленный выход положительных зарядов из клетки после предшествующей фазы деполяризации мембраны обусловливает последующую ее реполяризацию.
Фаза деполяризации потенциала действия круто нарастает, тогда как фаза реполяризации развивается более замедленно. Отмеченное крутое развитие фазы деполяризации обусловлено тем, что при определенной степени деполяризации мембраны (соответствующей критическому уровню деполяризации) она способна сама себя усиливать. Такая степень деполяризации мембраны, по достижении которой дальнейшая деполяризация приобретает самообновляющийся (лавинообразный или регенеративный) характер и соответственно автоматически генерируется потенциал действия стандартной амплитуды, носит названия критического уровня деполяризации. Его величина в клетках разных возбудимых тканей неодинакова и во многом зависит от электрофизиологических свойств натриевых каналов мембраны.
Рис. 8. Схема развития самообновляющейся деполяризации мембраны в возбудимой структуре
Самообновляющийся характер деполяризации мембраны обусловлен существованием положительной обратной связи между степенью деполяризации мембраны и долей открытых электровозбудимых натриевых каналов (на рисунке обозначена знаком "+"). Это, пожалуй, единственный в живом организме пример, когда в норме существует положительная обратная связь между результатом какого-то процесса и самим процессом. Благодаря тому, что деполяризация мембраны после достижения критического уровня приобретает самоусиливающийся характер в конечном итоге в процесс вовлекаются все имеющиеся натриевые каналы мембраны (стандартное их количество, каждый из которых открывается на строго определенный, стандартный, промежуток времени), а следовательно, возникает потенциал действия стандартной амплитуды и продолжительности, которые не зависят от силы раздражителя. Важно лишь, чтобы эта сила была не меньше пороговой величины, способной разрядить мембрану возбудимой структуры до критического уровня деполяризации, по достижении которого дальнейшая деполяризация мембраны приобретает самообновляющийся характер. Если заблокировать часть эклектровозбудимых натриевых каналов (например, специфическим блокатором тетродотоксином) или снизить трансмембранный градиент для ионов натрия, нарушив работу натрий-калиевого насоса, амплитуда потенциала действия уменьшиться; в случае же резко выраженных этих изменений возбудимое образование может временно утратить способность к генерации нервного импульса.
К верхней трети восходящей фазы потенциала действия почти все натриевые каналы оказываются задействованы и в конечном итоге достигается какое-то пиковое значение потенциала действия, которое является, как правило, положительным (мембрана по мере развития фазы деполяризации не просто уменьшает свой заряд, а еще и на очень короткое время перезаряжается: изнутри заряжается положительно, а снаружи - отрицательно, т.е. происходит реверсия знака мембранного потенциала по сравнению с потенциалом покоя).
В верхней трети нисходящей фазы потенциала действия (фазы реполяризации) большая часть натриевых каналов переходит в состояние натриевой инактивации (к этому времени успевают закрыться инактивационные ворота, которые, подобно активационным, срабатывают на деполяризацию, но, в отличие от активационных, срабатывают закрытием), а единственный тип ворот калиевых каналов (активационные ворота) постепенно начинает открываться. Калиевая активация, связанная с открытием активационных ворот калиевых электровозбудимых каналов приводит к резкому повышению проницаемости мембраны для ионов калия. Выход же калия из клетки по градиенту концентрации на фоне резкого снижения натриевой проницаемости мембраны (связанного с натриевой инактивацией) приводит к постепенной реполяризации мембраны. Фаза реполяризации развивается более замедленно по сравнению с фазой деполяризации, поскольку реполяризация сама себя не усиливает, а напротив, ослабляет. В частности, чем больше степень реполяризации мембраны (чем ближе мембранный потенциал к исходному, характерному для покоя, уровню), тем большая часть активационных ворот калиевых каналов, срабатывающих на деполяризацию мембраны открытием, закрывается и соответственно тем слабее будет выходящий из клетки калиевый ток, реполяризующий мембрану.
Рис. 9. Схема развития реполяризации мембраны
В случае блокады электровозбудимых калиевых каналов специфическими блокаторами резко удлиняется во времени фаза реполяризации мембраны.
Следовые потенциалы - это кратковременные обратимые колебания мембранного потенциала, развивающиеся вслед за пиком потенциала действия. Различают следовую деполяризацию (или отрицательный следовой потенциал) и следовую гиперполяризацию (положительный следовой потенциал). Следовая деполяризация - это некоторое замедление нормальной реполяризации мембраны, перед достижением мембранного потенциала покоя. В качестве ее причин могут служить
> остаточный натриевый ток (возникает в связи с тем, что по мере реполяризации мембраны все больше натриевых каналов возвращаются к исходному, характерному для покоя, уровню, а следовательно, могут опять сработать на деполяризацию мембраны; мембрана же возбудимой структуры еще несколько деполяризована, что создает благоприятные условия для открытия части вернувшихся к состоянию покоя натриевых каналов и будет замедлять дальнейшую реполяризацию мембраны);
> накопление ионов калия в межклеточных щелях после каждого пика потенциала действия, что приводит к снижению трансмембранного градиента для калия, а значит, и к уменьшению (некоторой деполяризации) заряда на мембране.
Следовая гиперполяризация - это такое состояние, при котором степень поляризации мембраны увеличивается по сравнению с покоем. В основе ее лежат два мезханизма:
> остаточный калиевый ток, обусловленный тем, что, несмотря на почти полную реполяризацию мембраны, часть электровозбудимых калиевых каналов (наиболее инерционных) остается открытой, создавая предпосылку для дальнейшего усиленного выходя калия из клетки;
> усиленная работа натрий-калиевого насоса, работающего с большей интенсивностью после генерации потенциала действия и способствующего восстановлению нарушенных трансмембранных градиентов для натрия и калия. Отмеченная усиленная работа насоса может привести к такому состоянию, при котором создаются повышенные трансмембранные градиенты для ионов калия и натрия. Повышенный же трансмембранный градиент для калия, в свою очередь, является причиной некоторой гиперполяризации мембраны (увеличения мембранного потенциала).
Потенциал действия (или нервный импульс) способен распространяться на большие расстояния вдоль нервных волокон (до метра и более), не затухая при этом (т.е. без уменьшения своей амплитуды) с довольно большой скоростью (от 0,5м/с до 120м/с) и вызывать к деятельности или изменять какую-то исходную активность других иннервируемых нервными волокнами структур (будь то другие нервные клетки, мышечные волокна и некоторые другие структуры).
Локальный ответ - это активная форма ответа возбудимых структур на действие раздражителей (т.е. подобно потенциалу действия связана с изменением проницаемости мембраны для определенных ионов), амплитуда и временные характеристики которого напрямую зависят от силы раздражителя. Он обычно возникает тогда, когда сила раздражителя ниже пороговой, но достаточна для развития некоторой активной деполяризации мембраны, не принимающей самообновляющегося характера. В связи с этим, чем сильнее подпороговый раздражитель, тем больше степень общей деполяризации мембраны (суммы пассивной деполяризации, связанной исключительно с деполяризующим действием раздражителя, и активной деполяризации, обусловленной открытием части электровозбудимых натриевых каналов) и тем соответственно выше амплитуда локального ответа. Аналогично, чем длительнее действует деполяризующий подпороговый раздражитель, тем более продолжительным будет локальный ответ. Локальный ответ, в отличие от потенциала действия, способен к суммации, распространяется на небольшие расстояния от места своего возникновения, затухая по ходу возбудимой структуры.
Как правило, нервные волокна (аксоны нейронов) способны к генерации потенциала действия, поскольку их начальный сегмент (соответствующий месту отхождения аксона от тела нервной клетки) обладает повышенной возбудимостью, в то время, как мембрана тела и дендритов нейрона, характеризующаяся гораздо меньшей возбудимостью, обычно генерирует локальные ответы, способные к суммации друг с другом. В результате отмеченного тело нейрона играет интегративную роль (обрабатывает совокупно информацию, приходящую по различным входам в нейрон), а аксон генерирует и проводит нервный импульс, возникающий в ответ на суммарный потенциал на мембране тела нейрона, на большие расстояния к другим (иннервируемым нейроном) структурам.
Рис. 10. Схема пассивных ответов и локальной деполяризации в нервном волокне, возникающих при действии раздражителей подпороговой силы (стрелкой отмечен момент начала действия раздражителя, 10%, 20%, 50% и 75% - указана сила раздражителя (в % от пороговой)).
4. Основные электрофизиологические параметры возбудимых структур
Одной из главных характеристик возбудимой структуры служит ее возбудимость - способность электрически отвечать на действие раздражителей определенной силы. Мерой возбудимости является пороговый потенциал (V) возбудимого образования, представляющий собой разность между мембранным потенциалом покоя (зарядом мембраны в покое) и критическим уровнем деполяризации (той степенью деполяризации мембраны, по достижении которой она принимает самообновляющийся характер, и потенциал действия возникает автоматически). Чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость возбудимой структуры, поскольку тем на большую величину должен деполяризовать мембрану действующий раздражитель, чтобы стала возможной генерация потенциала действия, и тем соответственно большей силой должен обладать раздражитель. Минимальная сила раздражителя, достаточная для того, чтобы он, действуя на возбудимую ткань, разрядил ее мембрану до критического уровня деполяризации и соответственно инициировал генерацию потенциала действия (нервного импульса), носит название пороговой силы раздражителя.
Возбудимость возбудимой структуры претерпевает определенные изменения в случае генерации электрического ответа (будь то нервный импульс или локальный ответ). Так, в случае локального ответа возбудимой структуры ее возбудимость повышена, поскольку мембрана несколько деполяризована, и ее заряд приближен к критическому уровню деполяризации (т.е. сокращен пороговый потенциал). Вместе с тем, если подпороговой силы раздражитель, вызвавший локальный ответ, действует длительно, то возбудимость в таком случае несколько снижается. Отмеченное обстоятельство связано с тем, что при длительной деполяризации мембраны натриевые каналы, сработавшие на деполяризацию открытием активационных ворот, успевают перейти в состояние инактивации (закрываются инактивационные ворота), и как следствие, уменьшается доля каналов, находящихся в состоянии, характерном для покоя, и способных сработать на деполяризацию.
В момент генерации потенциала действия изменение возбудимости имеет фазный характер. Так, на начальном этапе электрического ответа клетки, когда заряд ее мембраны приближается к критическому уровню деполяризации, возбудимость растет. По мере фазы деполяризации возбудимость, напротив, снижается, поскольку все больше натриевых каналов оказываются задействованными в электрическом ответе (срабатывают на деполяризацию), а значит, не могут ответить на действие новых раздражителей. В верхней трети пика потенциала действия мембрана возбудимой структуры оказывается полностью невозбудимой (абсолютно рефрактерной), что обусловлено в верхней трети фазы деполяризации полной занятостью натриевых каналов, а в верхней трети фазы реполяризации - переходом их в состояние инактивации (медленные инактивационные ворота закрыты). По мере реполяризации мембраны натриевые каналы постепенно возвращаются в характерное для покоя состояние и вновь могут сработать на деполяризацию мембраны, вызванную действием нового раздражителя. Но количество каналов, восстановивших свое нормальное состояние в середине фазы реполризации (когда мембрана еще остается частично деполяризованной) гораздо меньше такового в покое. Следовательно, возбудимость возбудимой структуры в момент фазы реполяризации снижена по сравнению с таковой в состоянии покоя (относительная рефрактерность), но не равна нулю. В связи с этим раздражитель, нанесенный в момент нисходящей фазы потенциала действия, должен обладать гораздо большей силой, чем пороговый, чтобы вызвать новый ответ возбудимой структуры в виде потенциала действия. В момент следовой деполяризации, если она развивается после пика потенциала действия, возбудимость повышена по сравнению с покоем (период повышенной возбудимости, экзальтации или супернормальности), поскольку большая часть натриевых каналов при такой степени поляризации мембраны уже вернулась в состояние, характерное для покоя. Но вместе с тем мембрана остается несколько деполяризованной (пороговый потенциал уменьшен по сравнению с покоем), и в данном случае достаточно меньшей силы раздражителя, чем пороговая, для инициации потенциала действия. В момент следовой гиперполяризации возбудимость возбудимой структуры уменьшена по сравнению с таковой в покое, поскольку мембрана гиперполяризована, а значит, увеличен по сравнению с покоем пороговый потенциал (период пониженной возбудимости или субнормальности). В данном случае необходима сила раздражителя, несколько, больше пороговой в состоянии покоя, чтобы инициировать генерацию потенциала действия.
Рис. 11. Схема изменения возбудимости нервного волокна при генерации потенциала действия
Раздражитель, приложенный к возбудимой структуре, способен вызвать ответную реакцию в виде потенциала действия, в том случае, если не только его сила не меньше пороговой, но и длительность его действия достаточна для того, чтобы мембрана успела разрядиться до критического уровня деполяризации. Между силой раздражителя и длительностью его действия, достаточными для инициации возбуждения в определенных пределах существует обратная зависимость: чем больше сила раздражителя, тем соответственно меньшей длительности его действия достаточно для инициации возбуждения и наоборот (см. рис.). Но отмеченная обратная зависимость между характеризуемыми параметрами проявляется лишь в определенных пределах. Так, раздражитель, сила которого меньше пороговой не способен вызвать возбуждение, сколь бы длительно он не действовал, равнозначно, как и слишком кратковременный раздражитель не способен вызвать электрический ответ в виде потенциала действия, сколь невелика была бы его сила.
Если в качестве раздражителя, действующего на возбудимую ткань, выступает электрический ток (адекватный раздражитель для возбудимой ткани, так как в обычных живых системах возбуждение вызывается местными ионными токами), то его пороговая сила, необходимая и достаточная для инициации возбуждения, получила название реобазы, а длительность действия тока силой в одну реобазу, минимальная и достаточная для инициации нервного импульса - полезного времени раздражения. Ток, сила которого меньше реобазы не способен вызвать возбуждение, сколь не велика была бы продолжительность его действия. Длительность действия электрического тока силой в две реобазы, необходимая и достаточная для инициации возбуждения, носит название хронаксии. Хронаксия естественно короче полезного времени раздражения, поскольку она соответствует времени действия тока силой в две реобазы (в два порога). Реобаза и хронаксия являются важными электрофизиологическими параметрами возбудимых структур. Так, реобаза во многом характеризует возбудимость (чувствительность) возбудимого образования, а хронаксия постоянную времени мембраны, во многом зависящую от скорости срабатывания активационных ворот натриевых каналов на деполяризацию.
Рис. 12. Кривая, отражающая зависимость силы раздражителя от длительности его действия, достаточных для инициации возбуждения в возбудимой структуре.
Длительность пика потенциала действия и следовых потенциалов, если они сопровождают пик, определяет лабильность возбудимой структуры - максимальное количество импульсов, которое возбудимое образование способно воспроизвести в течение определенного интервала времени в соответствии с определенным ритмом раздражения. Чем короче продолжительность потенциала действия (его пика и следовых потенциалов), тем больше потенциальная лабильность возбудимой структуры.
Автор
burundukova93
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5 022
Размер файла
2 872 Кб
Теги
физиология, тканей, возбудимых
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа