Н. Е. Введенский развил представление о лабильности, или функциональной подвижности (1892). Он определял физиологическую лабильность как скорость, с которой данная живая ткань успевает закончить полный период отдельного возбуждения во времени.

А. А. Ухтомский считал, что мера лабильности - это наибольшее «число отдельных законченных периодов возбуждения, которое субстрат может вместить в единицу времени».

Физиологическая лабильность - основное свойство живой ткани, определяющее ее функциональное состояние. Она характеризует изменения физиологического состояния живой ткани не при одиночной волне возбуждения, а ори взаимодействии целого ряда волн возбуждения, возникающих в определенном ритме, - ансамбля возбуждений. От лабильности зависит, будет ли живая ткань отвечать волной возбуждения на каждый импульс ритмического раздражения или она будет трансформировать частый ритм раздражения в более редкий, или такое трансформирование превратится в торможение, а торможение снова превратится в возбуждение.

Чем больше возрастает частота импульсов раздражения, тем чаще становится ритм волн возбуждения. Максимальный ритм раздражения вызывает максимальный ритм возбуждения, который отличается большой неустойчивостью. Электрофизиологическими исследованиями установлено, что каждая живая ткань способна воспроизводить синхронно, т. е. соответственно ритму раздражения без трансформации торможения или утомления, характерный для нее оптимальный ритм раздражения.

Максимальный ритм синхронизированного ответа на раздражение для одиночных двигательных нервных волокон лягушки около 300 в 1 с, оптимальный - 75 (реже 50) - 150 в 1 с, для мышечных волокон максимальный - 150 (реже 200) в 1 с, оптимальный - 20-50 в 1 с.

Максимальный ритм проведения импульсов в двигательных нервах теплокровных больше 1000 в 1 с, а в нервных центрах-200-400 в 1 с. Н. Е. Введенский установил, что сами импульсы возбуждения способны изменять лабильность раздражаемой ткани, повышать ее и понижать.

Физиологическая лабильность данной ткани зависит от силы и частоты импульсов возбуждения, поступающих к ней из Н, Е, Введенский центральной нервной системы, и от нервно-гуморальных влияний. Имеется зависимость между физиологической лабильностью и возбудимостью. Возбудимость ткани наивысшая при среднем, относительно невысоком уровне физиологической лабильности. Лабильность ткани тем больше, чем меньше времени необходимо для возникновения возбуждения при раздражении. Лабильность тем меньше, чем медленнее реагируют ткани на раздражение. Лабильность определяет не только минимальное время, необходимое для возникновения возбуждения, по и все время, необходимое для протекания возбуждения и для восстановления способности ткани давать новые, последующие импульсы возбуждения. Условия, понижающие жизнеспособность ткани (холод, нагревание, сильный электрический ток, механическое давление, наркотики солевые растворы и т. п.), уменьшают лабильность измененного (альтерированного) этими воздействиями участка нерва. Это уменьшение лабильности обусловлено тем, что под влиянием указанных воздействий замедляются восстановительные процессы.

Различные группы нервных волокон обладают разной лабильностью. Лабильность одних и тех же нервных волокон колеблется в зависимости от их физиологического состояния.

Возбудимость и ее динамика

Мера возбудимости живой клетки определяется по двум показателям: 1) по наименьшей пороговой силе (интенсивности) раздражения, вызывающего возбуждение, которая называется порогом возбудимости, и 2) по наименьшему времени действия раздражителя определенной силы (интенсивности).

Возбудимость каждой живой ткани изменяется в зависимости от условий и от ее физиологического состояния: например, при постепенном охлаждении, при смещении реакции крови в сторону кислотности она снижается, а при постепенном повышении температуры до 40°С и смещении реакции крови в сторону щелочности повышается.

У животных с постоянной температурой тела исходный уровень возбудимости, характеризующий данную живую ткань, наблюдается при отсутствии утомления, при нормальной тела и нормальной реакции .

Усвоение ритма

Самый частый ритм пороговых и надпороговых раздражений, на который данная возбудимая ткань отвечает таким же частым ритмом волн возбуждения, отражает ее функциональное состояние или ее лабильность во время деятельности.

А. А. Ухтомский создал представление об усвоении ритма (1928), согласно которому лабильность меняется все время в связи с деятельностью. Лабильность во время раздражения может повышаться или понижаться, что выражается в увеличении или уменьшении предельного ритма возбуждения. Это изменение лабильности вызывается тем. что сами импульсы, возбуждения способны изменить функциональное состояние возбуждаемой ткани. После действия каждого раздражающего импульса лабильность изменяется двухфазно: вначале она повышается, а затем падает. Лабильность зависит от силы и частоты падающих на ткань импульсов и от обмена веществ в ткани.

Под влиянием работы лабильность повышается, что приводит к усвоению более высокого ритма, чем в начале работы. Усвоение ритма особенно отчетливо выступает на фоне повышенной возбудимости. Оно продолжается некоторое время после прекращения работы.

Повышение физиологической лабильности в связи с деятельностью, которое проявляется в том, что возбудимая ткань отвечает более высоким ритмом возбуждения по сравнению с исходным ритмом, называется усвоением ритма. Усвоение ритма зависит от текущих изменений обмена веществ в ткани во время ее деятельности. После короткого раздражения мышцы ее лабильность повышается в течение нескольких минут, что можно объяснить действием продуктов .

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ[i]

Подготовил к. б.н. доцент кафедры агроинженерных дисциплин Хакасского филиала Красноярского государственного аграрного университета

ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ; ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.. 1

Хронаксия. 3

Лабильность. 4

Оптимум, пессимум и парабиоз. 5

Парабиоз. 5

ПРИРОДА НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА.. 6

Потенциал покоя. 7

Потенциал действия. 8

Характерные особенности потенциалов действия. 9

Скорость проведения нервного импульса. 10

ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ.. 11

Скелетная мышца. 11

Мышечное сокращение. 12

Роль АТФ и других макроэргов в мышечном сокращении. 12

Работа и утомление мышц. 13

Понятие мышечного тонуса. 14

Гладкие мышцы.. 14

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН.. 15

Строение нервно-мышечного синапса и передача возбуждения. 16

НОВЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ... 17

Характерная черта всего живого – раздражимость, или чувствительность. Всем организмам нужна определенная степень внутренней координации и регуляции; надлежащая взаимосвязь между стимулом и реакцией необходима для поддержания стационарного состояния и выживания.

Животные в отличие от растений имеют две различные, но взаимосвязанные системы координации – нервную и эндокринную. Нервная система действует очень быстро, ее эффекты четко локализованы, а в основе ее деятельности лежит электрическая и химическая передача. Эндокринная система действует более медленно, ее эффекты носят диффузный характер, а в основе ее действия лежит химическая передача сигнала через систему кровообращения. Как полагают, у большинства многоклеточных животных обе системы развивались параллельно.

ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ; ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Любая живая клетка обладает свойствами раздражимости, возбудимости и лабильности (функциональной подвижности).

Раздражимость

Возбудимость – способность живых клеток воспринимать изменения внешней среды и отвечать на эти изменения (раздражения) реакцией возбуждения. Возбудимость связана с существованием в клеточной мембране особых молекулярных структур, обладающих специфической чувствительностью к действию тех или иных раздражителей.

Раздражитель – это агент внешней или внутренней среды организма, который при своем действии на клетки, ткани, органы вызывает возбуждение. По своей энергетической природе они делятся на физические (механические, электрические, термические, световые, звуковые и т. д.) и химические (гомоны, кислоты, щелочи, яды и др.). По биологическому значению раздражители могут быть адекватными и неадекватными. Адекватный – это такой раздражитель, к которому данный орган или ткань приспособилась в процессе эволюции. Например, для мышц адекватным раздражителем является нервный импульс, для сетчатки глаза – свет. Неадекватными будут такие раздражители, действию которых ткань или орган в естественных условиях обычно не подвергаются.

Когда говорят о возбудимых тканях, прежде всего, имеют ввиду нервную и мышечную. Для возбудимых тканей характерно то, что процесс возбуждения сопровождается возникновением потенциала действия, распространяющегося вдоль клеточной мембраны. Таким свойством обладают нейроны, мышечные клетки. Термин возбудимые ткани условен, т. к. возбудимость – свойство всех живых клеток, а потенциал действия (ПД) является компонентом лишь одной из форм возбуждения.

Физиологический покой

Возбуждение – реакция клетки на раздражение, выработанная в процессе эволюции. При возбуждении живая система переходит из состояния относительного физиологического покоя к деятельности. Признаком возбуждения служит деятельность, присущая данной ткани (органу). Например, сокращение мышечного волокна, выделение секрета железистыми клетками. В основе возбуждения лежат сложные физико-химические процессы. Начальный пусковой момент возбуждения – изменение ионной проницаемости и электрических потенциалов мембраны. Наиболее полно возбуждение изучено в нервных и мышечных клетках, где оно сопровождается возникновением потенциала действия (ПД), способного без затухания (бездекрементно) распространяться вдоль всей клеточной мембраны. Это свойство ПД обеспечивает быструю передачу информации по периферическим нервам к нервным центрам и от них к исполнительным органам – мышцам и железам. К ПД мы возвратимся чуть позже.

Торможение – это такое состояние, когда деятельность ткани или органа ослабляется или полностью прекращается. Торможение - активный процесс, приводящий к угнетению или предупреждению возбуждения. В зависимости от локализации тормозного процесса различают периферическое торможение, осуществляемое непосредственно в синапсах на мышечных и железистых элементах, и центральное, реализуемое в пределах ЦНС. Большинство изученных видов торможения основано на взаимодействии медиатора, секретируемого и выделяемого пресинаптическими мембранами (обычно нервных окончаний).

Для измерения величины (степени) возбудимости определяют порог возбудимости, полезное время и хронаксию.

Порогом возбудимости называется наименьшая сила раздражителя, способная вызвать ответную реакцию возбуждения. Для нервной клетки и мышцы это ПД.

Хронаксия

Хронаксия (от греч. chronos- время и axia – цена, мера) – наименьшее время действия на ткань постоянного электрического тока удвоенной пороговой силы, вызывающего возбуждение ткани.

До конца 19в. возбудимость определяли по порогу раздражения. В 1982г. обосновал значение времени как фактора, определяющего ход физиологической реакции. Было также установлено (Л. Горвет, 1892г. и Ж. Вейс, 1901г.), что величина стимула, вызывающего возбуждающий эффект в тканях находится в обратной зависимости от длительности его действия и графически выражается гиперболой. Минимальная сила тока, которая при неограниченно долгом действии вызывает эффект возбуждения (реобаза), соответствует отрезку ОА (ВG). Наименьшее, так называемое полезное время действия порогового раздражающего стимула соответствует отрезку ОG (полезное, потому что дальнейшее увеличение времени действия тока не имеет значения для возникновения ПД). При кратковременных раздражениях кривая силы-времени становится параллельной оси ординат, т. е. возбуждение не возникает при любой силе раздражителя. Приближение кривой к асимптотически линии, параллельной абсциссе, не позволяет достаточно точно определять полезное время, т. к. незначительные отклонения реобазы, отражающие изменения функционального состояния мембран в покое, сопровождаются значительными колебаниями времени раздражения. В связи с этим Л. Лапик предложил измерять другую условную величину – хронаксию, т. е. время действия раздражителя равное двойной реобазе (отрезки ОD (EF)). При данной величине раздражителя наименьшее время его действия, при котором возможен пороговый эффект, равно OF.

Установлено, что форма кривой, характеризующая возбудимость ткани в зависимости от интенсивности и длительности действия раздражителя, однотипна для самых разнообразных тканей. Различия касаются только абсолютных значений соответствующих величин и, прежде всего, времени, т. е. возбудимые ткани отличаются друг от друга временной константой раздражения. Иначе говоря, разной чувствительностью.

Различают конституциональную и субординационную хронаксию. Первая свойственна ткани вне ее нервных связей с организмом. Вторая – характерна для ткани, находящейся в естественной связи с ЦНС. Субординационная хронаксия, как правило, короче конституциональной. Минимальная хронаксия зарегистрирована в нервной ткани. Среди мышечной ткани наименьшая хронаксия у скелетных поперечнополосатых мышц, самая большая – у гладких мышц. Хронаксиметрия – измерение хронаксии – используется для изучения деятельности двигательного аппарата и др.

Лабильность

Лабильность (от лат. libilis – скользящий, неустойчивый), или иначе, функциональная подвижность, скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях. Это понятие в физиологии ввел Введенский (1886г.), который считал мерой лабильности наибольшую частоту раздражения ткани, воспроизводимую ею без преобразования ритма. Лабильность отражает время, в течение которого ткань восстанавливает работоспособность после очередного цикла возбуждения. Наибольшей лабильностью обладают отростки нервных клеток – аксоны, способные воспроизводить до 500 – 1000 импульсов в сек. Мякотные нервны волокна усваивают ритм возбуждения до 500 гц., безмякотные – 200. Менее лабильны центральные и периферические места контактов – синапсы. Например, двигательное нервное окончание может передать на скелетную мышцу 100 – 150 возбуждений в сек. Максимальный ритм возбуждений скелетной мышцы 200 гц., а гладких мышц в десятки раз меньше. Угнетение жизнедеятельности тканей и клеток (холод, наркотики) уменьшает лабильность, т. к. при этом замедляются процессы восстановления, и удлиняется рефрактерный период. Лабильность величина непостоянная. Так, в сердце под влиянием частых раздражений рефрактерный период укорачивается, а, следовательно, возрастает лабильность. Это явление лежит в основе так называемого усвоения ритма. Учение о лабильности важно для понимания механизмов нервной деятельности, работы нервных центров и анализаторов, как в норме, так и при заболеваниях. В биологии и медицине термином лабильность обозначают неустойчивость, изменчивость. Например, пульса, температуры, физиологического состояния, эмоций, психики.

В процессе развития импульса возбуждения наблюдаются последовательные фазы изменения возбудимости. Эти закономерности были исследованы и описаны Введенским. Во время возникновения возбуждения наблюдается снижение возбудимости до нуля, когда ткань не отвечает на раздражение любой силы. Это фаза абсолютной рефрактерности . Затем возбудимость ткани начинает постепенно восстанавливаться, приближаясь к нормальной, эта фаза называется относительной рефрактерностью . Вслед за ней наступает период повышенной возбудимости – фаза экзальтации , за которой следует фаза небольшого понижения возбудимости – фаза субнормальности . После нее восстанавливается нормальная возбудимость. Наличие этих фаз изменения возбудимости играет важную роль в деятельности нервов и мышц.

Оптимум, пессимум и парабиоз.

При раздражении нерва нервно-мышечного препарата с различной частотой Введенский установил, величина сокращения мышцы зависит от частоты раздражений. Частота раздражений, которая вызывает максимальное сокращение мышцы, называется оптимальной, или оптимумом. При этой частоте каждый новый импульс возбуждения возникает во время фазы экзальтации, созданной предыдущим импульсом, в результате чего и происходит максимальное сокращение. Оптимальная частота для двигательного нерва лягушки составляет 100-150, для икроножной мышцы – 30-50гц.

пессимумом . Пессимум возникает вследствие того, что возбуждение еще не закончилось, и ткань находится в состоянии абсолютной или относительной рефрактерности, а на нее действует новое раздражение. Частые раздражения, превышающие меру лабильности, вызывают не возбуждение, а торможение.

По правилу оптимума и пессимума происходит сокращение мышцы и при действии раздражителей различной силы. При постепенном увеличении силы тока сокращение мышцы увеличивается до максимальной величины – оптимум силы, после чего сокращение начинает снижаться и даже прекращается при чрезмерной силе тока– пессимум силы.

Парабиоз

Введенский в опытах на нервно-мышечном препарате показал, что переход возбуждения в торможение зависит от лабильности. Чтобы изменять лабильность нерва, он на средний участок нерва действовал эфиром, хлороформом, KCl, холодом и т. д. Под влиянием этих агентов лабильность данного участка постепенно снижается. И при раздражении нерва выше измененного участка будет меняться величина сокращения мышцы. В начале снижения лабильности наблюдается одинаковое сокращение мышцы на слабое (пороговое) и сильное раздражение. Эту стадию Введенский назвал уравнительной . При дальнейшем снижении лабильности на слабое раздражение мышца отвечает сильным сокращением, а на сильное раздражение либо совсем не отвечает, либо сокращается очень слабо. Из-за такой ненормальной реакции нерва эта стадия была названа парадоксальной. Следующий этап – это стадия торможения, когда мышца не сокращается при действии как слабого, так и сильного раздражения в результате значительного снижения лабильности поврежденного участка нерва. Стадия торможения заканчивается состоянием, при котором отсутствуют видимые признаки жизни – возбудимость и проводимость. Это состояние было названо парабиозом (пара – около, биос – жизнь), а описанная выше последовательность изменений – стадиями парабиоза. После удаления веществ, снижавших лабильность среднего участка нерва, парабиоз прекращается, и этот участок возвращается к нормальному состоянию, проходя те же стадии в обратном порядке.

Т. о. учение Введенского о парабиозе устанавливает связь между возбуждением и торможением как различных реакциях ткани на раздражение, исход которого зависит от лабильности. При высокой лабильности возникает возбуждение, снижение лабильности вызывает торможение.

ПРИРОДА НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА

Если помните, «животное электричество» впервые обнаружил Гальвани в 18в. В 19-м, Матеуччи обнаружил наличие электрического потенциала при возбуждении, это стало началом электрофизиологии. Электрофизиология изучает биоэлектрические явления в возбудимых тканях.

О том, что нервные сигналы передаются по нейронам в виде электрических импульсов, влияющих на сокращение мышц и секреторную активность желез, было известно уже более 200 лет назад. Однако механизм возникновения и распространения этих импульсов был выяснен только в последние 50 лет, после того как у кальмара были открыты гигантские аксоны толщиной около миллиметра. Они иннервируют мускулатуру мантии и вызывают ее быстрое сокращение, когда животному нужно спасаться от врага. Большая толщина этих аксонов позволила провести на них некоторые из самых ранних электрофизиологических исследований.

На рис. 1 изображен прибор, применяемый для изучения электрической активности нейронов. Его важнейшую часть составляет микро электрод - стеклянная трубочка, вытянутая на конце в капилляр диаметром 0,5 мкм и заполненная раствором, проводящим ток, например 3 М KCL. Этот микроэлектрод вводят в аксон, а второй электрод, имеющий вид маленькой металлической

Стимулятор

https://pandia.ru/text/78/381/images/image008_70.gif" width="13" height="108"> 3 М р-р https://pandia.ru/text/78/381/images/image011_54.gif" width="72" height="12"> КCl

Стимулирующие электроды микроэлектрод

Мембрана аксона

Рис.1. Схема аппаратуры для регистрации электрической

активности аксона отдельного нейрона.

пластинки, помещают в солевой раствор, омывающий исследуемый нейрон. Электроды подсоединены к усилителю, замыкающему цепь. Сигнал, усиленный примерно в 1000 раз, передается на двух лучевой осциллограф. Все перемещения микроэлектрода осуществляются с помощью микроманипулятора – специального устройства, позволяющего с большой точностью регулировать положение микроэлектрода. Когда кончик микроэлектрода проходит сквозь плазматическую мембрану аксона, лучи осциллографа раздвигаются. Расстояние между лучами показывает разность потенциалов между двумя электродами. Эта разность называется потенциалом покоя аксона и составляет у всех исследованных видов приблизительно - 65 мВ. Таким образом, мембрана аксона поляризована, а минус перед потенциалом покоя означает, что с внутренней стороны она заряжена отрицательно по отношению к наружной поверхности. В сенсорных клетках, нейронах и мышечных волокнах эта величина во время активности изменяется, поэтому такие клетки называются возбудимыми. На мембранах всех остальных живых клеток тоже существует подобная разность потенциалов, известная как мембранный потенциал, но в этих клетках она остается постоянной, поэтому их называют невозбудимыми клетками.

Потенциал покоя

В середине прошлого века Э. Дюбуа-Реймонд и Р. Матеучи впервые получили косвенные данные о существовании потенциала покоя (ПП). Они зарегистрировали так называемые токи повреждения мышцы, которые образуются между альтерированной и интактной частями мышцы. Направление тока повреждения указывало на то, что цитоплазма клетки относительно внешней среды заряжена отрицательно. Однако долгое время было не ясно, существует ли этот потенциал у интактной клетки или он образуется как результат повреждения клеточной мембраны. У большинства нейронов млекопитающих потенциал покоя остается постоянным до тех пор, пока клетка находится в неактивном состоянии из-за отсутствия стимула. Кертис и Коул в США и Ходжкин и Хаксли в Англии в конце 30-х годов установили, что потенциал покоя имеет физико-химическую природу и обусловлен разностью ионных концентраций по обе стороны мембраны аксона и избирательной проницаемостью мембраны для ионов. Анализ жидкости, находящейся внутри аксона, и омывающей аксон морской воды показал, что между обеими жидкостями существуют электрохимические ионные градиенты (табл.).

В аксоплазме, находящейся внутри аксона, больше ионов К+ и меньше Na+, тогда как в жидкости, омывающей аксон, наоборот, больше ионов Na+ и меньше К+ (распределение ионов Сl - в последующем описании не учитывается, так как оно не играет существенной роли в интересующих нас явлениях).

Указанные градиенты поддерживаются за счет активного переноса ионов против их электрохимических градиентов, который осуществляют определенные участки мембраны, называемые катионными или натриевыми насосами. Эти непрерывно действующие транспортные механизмы работают за счет энергии, освобождающейся при гидролизе АТФ; при этом происходит выведение из аксона Na+, сопряженное с поглощением К+ (рис.2А).

К+ Na+ мало К+, много Na+

https://pandia.ru/text/78/381/images/image023_27.gif" height="10"> транспорт за счет

энергии АТФ

много К+, мало Na+

Рис. 2 Активное (А) и пассивное (Б) перемещение ионов, связанное с созданием отрицательного потенциала внутри аксона.

Натриво-калиевый насос осуществляет активный перенос ионов (А), которые в тоже время проходят через мембрану путем пассивной диффузии в направлении их электрохимических градиентов (Б).

Активному транспорту этих ионов противостоит их пассивная диффузия, поскольку они постоянно перемещаются вниз по электрохимеческим градиентам, как показано на рис 2Б. Скорость диффузии определяется проницаемостью мембраны аксона для данного иона. Ионы К+ более подвижны, и проницаемость мембраны для них в 20 раз больше, чем для Na+, поэтому К+ легче выходит из аксона, чем Na+ входит в него, и в результате в аксоне становится меньше катионов и создается отрицательный заряд. Величина потенциала покоя определяется главным образом электрохимическим градиентом К+. Изменение проницаемости мембраны возбудимых клеток для ионов К+ и Na+ приводит к изменению разности потенциалов на мембране, к возникновению потенциалов действия и распространению нервных импульсов по аксону.

Потенциал действия

При стимуляции аксона электрическим током (рис. 3) потенциал на внутренней поверхности мембраны меняется с –70 мВ до + 40 мВ. Это изменение полярности носит название ПД (спайка) и регистрируется на двух лучевом осциллографе в виде кривой, представленной на рис 3.

Потенциал действия возникает в результате внезапного кратковременного повышения проницаемости мембраны аксона для ионов Na и входа последних в аксон, Вследствие увеличения проводимости (электрический эквивалент проницаемости) для Na+ число положительно заряженных ионов внутри аксона возрастает, и мембранный потенциал снижается по сравнению с величиной покоя, составляющей около –70 мВ. Такое изменение мембранного потенциала называется деполяризацией. Повышение натриевой проводимости и деполяризация влияют друг на друга по принципу положительной обратной связи. И взаимно усиливают друг друга, и в результате возникает

https://pandia.ru/text/78/381/images/image028_23.gif" height="131"> +60

https://pandia.ru/text/78/381/images/image035_18.gif" width="309">Электропроводка" href="/text/category/yelektroprovodka/" rel="bookmark">электрического провода . Суммарное сопротивление мембраны аксона и миелиновой оболочки очень велико, но там, где в миелиновой оболочке имеются разрывы, называемые перехватами Ранвье, сопротивление току между аксоплазмой и внеклеточной жидкостью меньше. Только в этих участках и замыкаются местные цепи, и именно здесь через мембрану аксона проходит ток, генерирующий следующий потенциал действия. В результате импульс перескакивает от одного перехвата к другому и пробегает по миелинизированному аксону быстрее, чем серия меньших по величине местных токов в безмиелиновом нервном волокне. Такой способ распространения потенциала действия, называемый сальтаторным (от лат. saltare –прыгать), может обеспечивать проведение импульса со скоростью до 120 м/с (рис.)

На скорость проведения нервных импульсов влияет температура, и по мере ее повышения до 400С эта скорость увеличивается.

Кодирование нервной информации. Нервные импульсы распространяются в нервной системе в виде потенциалов действия, подчиняющихся закону «все или ничего» и имеющих постоянную для данного вида нейронов амплитуду: в гигантском аксоне кальмара, например, она составляет 110 мВ. В связи с этим информация не может кодироваться амплитудой, а используется только частота импульсов. Впервые этот факт был установлен в 1926г. Эдрианом и Зоттерманом, которые показали, что частота нервных импульсов находится в прямой зависимости от силы вызывающего их стимула.

ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

У высших животных различают три вида мышечных тканей: скелетную, сердечную и гладкую.

Скелетная мышца

Скелетная мышца состоит из группы мышечных пучков, каждый из них составлен из тысяч мышечных волокн, которые представляют собой клетки цилиндрической формы длиной до 12 см. и диаметром 10-100 мк. Каждое волокно окружено оболочкой – сакролемой и содержит тонкие нити – миофибриллы . Поперечные мембраны делят каждую миофибриллу на отдельные участки – саркомеры . Сократимым веществом мышечного волокна являются миофибриллы, состоящие из множества (около 2500) тонких и толстых белковых нитей – протофибрилл . Толстые протофибриллы образованы из белка миозина , тонкие – из актина . Нити актина прикреплены к мембране сакромера, они образуют светлые участки миофибриллы. В темных участках находятся нити миозина. Актиновые нити частично входят своими концами в промежутки между миозиновыми нитями. Нити актина и миозина соединяются между собой многочисленными поперечными мостиками, которые образованы скрученными в спираль отростками – мостиками миозиновой нити (актомиозиновый комплекс ). Чередование нитей в миофибрилле обусловливает ее поперечную исчерченность.

Свойства скелетных мышц. Возбудимость скелетных мышц меньше возбудимости нервов. Проведение возбуждения в мышцах происходит изолировано, т. е. не переходит с одного мышечного волокна на другое. Нервные окончания расположены в середине каждого мышечного волокна, поэтому возбуждение распространяется в обе стороны со скоростью 4-15 м/с.

Скелетная мышца является упругим телом. Если к мышце подвесить груз, то она растягивается, это свойство называется растяжимостью . Эластичностью мышцы называется возвращение мышцы к первоначальной своей длине после удаления груза. Пластичностью

Мышечное сокращение

Различают 3 периода: от раздражения до начала сокращения; сокращение и период расслабления. В латентный период в мышце происходят процессы высвобождения энергии для мышечного сокращения. У большинства млекопитающих длительность одиночного сокращения лежит в пределах 0,04-0,1с. Если к мышце поступает несколько частых импульсов возбуждения, наступает длительное сокращение мышцы, которое называется тетаническим сокращением, или тетанусом . В зависимости от частоты стимуляции тетанус может быть зубчатым или гладким. Зубчатый тетанус наблюдается при такой частоте раздражения, когда импульс действует на мышцу в фазе расслабления. При большей частоте стимуляции мышца не успевает расслабляться и получается гладкий тетанус . В естественных условиях в организме животных мышцы сокращаются по типу гладкого тетануса. Это происходит потому, что частота стимуляции мышцы нервом значительно выше, способности мышечной ткани усваивать такой ритм.

Роль АТФ и других макроэргов в мышечном сокращении

Сокращение мышцы осуществляется за счет энергии химических процессов, которые совершаются в 2 фазы: анаэробную – без участия О2 и аэробную – с его участием. В анаэробной фазе происходит распад АТФ на АДФ и H3PO4, при этом высвобождается большое количество энергии, за счет которой и сокращаются мышцы (8-10 ккал., или 33,5-41,9 кдж. на 1 моль АТФ). Длительная мышечная работа невозможна без ресинтеза АТФ. Распад креатинфосфата на креатин и H3PO4 служит источником энергии для ресинтеза АТФ из АДФ и даже АМФ. Фосфорилирование креатина за счет АТФ с образованием креатинфосфата осуществляется в процессе гликолиза и тканевого дыхания. Запасы креатинфосфата невелики, но они постоянно пополняются за счет энергии распада гексозофосфата на молочную кислоту и H3PO4. Образующаяся молочная кислота в аэробную фазу окисляется до CO2 и воды. Однако окисляется не вся молочная кислота, а только 1/5 часть. Остальные 4/5 молочной кислоты синтезируются снова в гликоген.

После сокращения, вызванного раздражением с нерва или электрическим током, мышца вскоре переходит в расслабленное состояние, хотя содержание АТФ в мышечных волокнах почти не меняется. Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии Ca2+. Наибольшая сократительная активность наблюдается при концентрации Ca2+ около 10моль. При изменении содержания Ca2+ до 10-7 моль или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ. По современным представлениям, в покоящейся мышце концентрация Ca2+ поддерживается ниже пороговой величины вследствие их связывания трубочками и пузырьками саркоплазматической сети. Связывание – это не простая адсорбция, а активный физиологический процесс, осуществляемый за счет энергии расщепляющейся АТФ в присутствии ионов Mg. Этот механизм получил название Ca-насоса. Т. о. пребывание живой мышцы в расслабленном состоянии (при наличии в ней достаточного количества АТФ) – результат снижения под действием Ca-насоса концентрации Ca2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже предела, при котором еще возможны проявления АТФ-азной активности и сократимости актомиозиозиновых структур волокна. Сокращение волокна при раздражении с нерва – результат внезапного изменения проницаемости и, как следствие, выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети в т. н. Т-системы Ca2+ в межфибриллярное пространство. Поперечные трубочки Т-системы, расположенные на уровне Z-дисков и содержащие Ca2+, сообщаются с поверхностной мембраной волокна; поэтому волна деполяризации быстро распространяется по системе трубочек и достигает глубоко расположенных участков волокна. После затухания нервного импульса в результате действия Са-насоса концентрация Ca2+ в миофибриллярном пространстве быстро снижается до пороговой величины и мышца переходит в исходное расслабленное состояние, пока новый импульс не вызовет повторения всего цикла. Потерю актомиозином способности расщеплять АТФ при концентрации Ca2+ ниже 10-7моль связывают с наличием в системе белка тропонина. Было доказано, что при его отсутствии актомиозин реагирует с АТФ без Ca2+.

Работа и утомление мышц

При сокращении мышца укорачивается, тем самым, совершая работу. Утомлением называется временное понижение или прекращение работы органа или целого организма в результате их деятельности. В утомленной мышце понижается возбудимость, лабильность и величина сокращения. При напряженной мышечной работе, когда кардиореспираторная система не может в достаточной мере обеспечить мышцы О2 возникает кислородное голодание – гипоксия. В этом случае утомление развивается значительно раньше. Оно сопровождается снижением содержания гликогена и накоплением молочной кислоты.

В организме утомление в первую очередь наступает в нервных центрах и, прежде всего коры больших полушарий. В опытах на нервно-мышечном препарате Введенский установил, что прежде всего утомляются синапсы в связи с их низкой лабильностью. Разносимые кровью продукты метаболизма работающих мышц, могут ингибировать деятельность нервных центров в зависимости от их концентрации. Сеченов доказал, что быстрое восстановление работоспособности утомленных мышц наступает не при полном их покое, а при работе других, до этого не сокращавшихся мышц. Импульсы от вновь вовлеченных в работу мышц повышает возбудимость нервных центров. А возбуждение одних нервных центров снижает и даже снимает утомление других. Утомление зависит от состояния симпатической нервной системы и желез внутренней секреции. Утомленная мышца вновь начинает сокращаться при раздражении симпатического нерва или введении адреналина , активирующих обменные процессы.

Задерживает наступление утомления мышц тренировка (систематическая усиленная работа мышц). При тренировке, работающие мышцы увеличивают массу и объем. В результате утолщения мышечных волокн повышается содержание гликогена, АТФ и креатинфосфата, ускоряются восстановительные процессы, совершенствуется регуляторная функция ЦНС. Длительное бездействие мышц ведет к их атрофии . Вот почему важно давать определенную нагрузку животным, как в течение дня, так и в течение всей жизни.

Понятие мышечного тонуса

тонусе. Тонус скелетных мышц играет важную роль в поддержании определенного положения тела в пространстве и в деятельности двигательного аппарата.

В мышцах млекопитающих установлено существование «медленных» мышечных волокн (к ним принадлежат «красные» – содержащие дыхательный пигмент миоглобин ) и «быстрые» – не имеющие его («белые»). Они различаются скоростью проведения волны сокращения и ее продолжительностью. В «медленных» волокнах длительность сокращения в 5 раз меньше, а скорость проведения в 2 раза меньше чем в «быстрых» волокнах. Почти все скелетные мышцы относятся к смешанному типу. В поперечнополосатых мышцах установлено существование т. н. чисто тонических волокн, они участвуют в поддержании «неутомляемого» мышечного тонуса. Тоническим сокращением называют медленно развивающееся слитное сокращение, способное длительно поддерживаться без значительных энергетических затрат. Тонические волокна реагируют на нервный импульс локально (в месте раздражения). Тем не менее, благодаря большому числу концевых двигательных бляшек тоническое волокно может возбуждаться и сокращаться все целиком. Сокращение таких волокон развивается настолько медленно, что уже при весьма малых частотах раздражения отдельные волны сокращения накладываются друг на друга и сливаются в длительно поддерживающееся укорочение.

абсолютной силы », которая является величиной пропорциональной сечению мышцы, направленной перпендикулярно ее волокнам и выражается в кг/см2. Например, абсолютная сила двуглавой мышцы человека равна 11,4, икроножной – 5,9 кг/см2.

Гладкие мышцы

Гладкие мышцы внутренних органов по характеру иннервации, возбуждения и сокращения существенно отличаются от скелетных. Благодаря боковым отросткам, клетки группируются в длинные пучки. Они, в свою очередь, при помощи тяжей соединяются друг с другом, обеспечивая деятельность мышцы как единой системы. Сократительный аппарат гладкой мышцы состоит из нитей актина и прикрепленных к ним коротким отросткам миозиновых нитей, называемых димерами .

Волны возбуждения и сокращения в гладких мышцах протекают в очень медленном темпе. Природа тонуса гладких мышц схожа с таковой в скелетных мышцах, но его возникновение происходит при еще более редких раздражениях. Возбуждение распространяется со скоростью от 1 см/сек. в кишечнике. До 18 см/сек. в матке. Одиночное сокращение гладкой мышцы может длиться несколько десятков секунд (мышцы желудка лягушки – 60-80 сек., кролика – 10-20 сек.). Т. е. тетанус наступает при редкой стимуляции.

Кроме того, гладким мышцам свойственен автоматизм , т. е. деятельность, не связанная с поступлением нервных импульсов из ЦНС. Способностью к автоматизму обладают не только нервные клетки, имеющиеся в гладких мышцах, но сами гладкомышечные клетки. Особенно отчетливо это проявляется в сфинктерах полых органов, в стенках кровеносных сосудов. Своеобразие сократительной функции гладких мышц позвоночных животных определяется не только особенностями их иннервации и гистологического строения, но и спецификой химического состава: более низким содержанием актомиозина, макроэргических соединений, в частности АТФ, низкой АТФ-азной активностью миозина, наличием в них водорастворимой модификации актомиозина – тоноактомиозина и некоторыми другими факторами. Существенное значение для организма имеет способность гладких мышц изменять длину без повышения напряжения. Например, наполнение полых органов: мочевого пузыря, желудка и др. Т. е. в гладких мышцах хорошо выражено свойство пластичности и растяжимости, в отличие от скелетных мышц, где преобладает упругость и эластичность.

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНЫХ ВОЛОКОН

Отростки нервных клеток образуют нервные волокна. Нерв состоит из множества нервных волокон, окруженных эпиневрием (внешняя оболочка). Каждый нервный пучок окружен соеденительнотканной оболочкой – перинервием , от которой в глубь пучка отходят тонкие прослойки соединительной ткани (эндонервий ). Возбуждение по каждому нервному волокну проводится изолированно, т. е. не переходя на соседние. Обмен веществ в нерве очень незначителен. Расход энергии в нерве примерно в миллион раз ниже, чем в мышце. Высокая лабильность нервной ткани и низкая ее «энергоемкость» обусловлены эволюционно – проведение нервных импульсов. Различают нервы чувствительные, их еще называют афферентными , центростремительные и двигательные (эфферентные , центробежные). К скелетным мышцам идут нервы, как правило, миелинезированные, т. к. при этом скорость проведения возбуждения возрастает и, соответственно, раньше достигается ответная реакция. Это важно для выживания животного в экстремальных ситуациях.

Чем больше сечение нервного волокна, тем быстрее распространяется в нем возбуждение, и наоборот, в тонких нервных волокнах скорость проведения возбуждения ниже.

Строение нервно-мышечного синапса и передача возбуждения

Проведение возбуждения с нерва на мышцу и с нерва на нерв осуществляется через специальное структурное образование – синапс (греч. synapsis – соединение, связь). Мы коротко остановимся на строении нервно-мышечного синапса. Окончание аксона двигательного нейрона разветвляется на множество концевых нервных веточек, утративших миелиновую оболочку. Мембрана этих окончаний и является пресинаптической мембраной. Веточка нервного волокна вдавливает мембрану мышечного волокна, которая в этом участке образует сильно складчатую постсинаптическую мембрану, иди двигательную концевую пластинку. ПД достигает пресинаптического окончания, где вызывает выделение из везикул в синаптическую щель высокоактивного химического вещества – медиатора ацетилхолина. Под влиянием последнего на участках постсинаптической мембраны, чувствительной к действию медиатора - холинорецепторах , резко увеличивается проницаемость мембраны, ионы К+ выходят из нее, а Na+ входят. Мембрана начинает пропускать ионы и деполяризуется, вследствие чего не ней возникает разность потенциалов в виде местного возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), вновь генерирующего распространяющийся импульс - ПД. Действие ацетилхолина выделившегося в синаптическую щель, прекращается под влиянием фермента ацетилхолинэстеразы , гидролизующего его на физиологически малоактивные холин и уксусную кислоту. Медиатор ацетилхолин содержится в окончаниях всех парасимпатических нервов и симпатических нервов потовых желез, норадреналин – в окончаниях симпатических нервов. Действие норадреналина опосредовано специфическими структурами, т. н. адренорецепторами . В ЦНС помимо ацетилхолина и норадреналина роль медиаторов играют дофамин, серотонин, гамма-масляная кислота, глицин, гистамин и др. Существуют и тормозные нейроны, выделяемые ими медиаторы приводят к гиперполяризации постсинаптической мембраны и прекращению распространения возбуждения. Как только деполяризация достигает порогового уровня, между деполяризованной постсинаптической мембраной и соседними внесинаптическими участками мышечного волокна, сохранившим прежний заряд, возникают круговые токи, этот ток вызывает появление ПД, возбуждающего мышечные волокна. Синаптическая передача возбуждения является фактором, лимитирующим его распространение.

Свойства живой ткани отвечать на раздражение возбуждением и передавать его в любые участки тела имеет громадное значение для работы организма как целого (интегративная роль). Все процессы, происходящие в нервной и мышечной ткани при возбуждении необходимо четко знать, т. к. они являются основой, для понимания происходящих в органах функциональных изменений, когда он находится в деятельном состоянии.

НОВЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

Раздражимость – свойство внутриклеточных образований, клеток, тканей и органов реагировать изменением структур и функций на сдвиги различных факторов внешней и внутренней среды.

Возбудимость – способность живых клеток воспринимать изменения внешней среды и отвечать на эти изменения (раздражения) реакцией возбуждения.

Раздражитель – это агент внешней или внутренней среды организма, который при своем действии на клетки, ткани, органы вызывает возбуждение.

Физиологический покой – это состояние, когда клетка, ткань или орган не проявляют признаков присущей им деятельности.

Возбуждение – реакция клетки на раздражение, выработанная в процессе эволюции. При возбуждении живая система переходит из состояния относительного физиологического покоя к деятельности. Признаком возбуждения служит деятельность, присущая данной ткани (органу).

Торможение , это такое состояние, когда деятельность ткани или органа ослабляется или полностью прекращается. Торможение - активный процесс, приводящий к угнетению или предупреждению возбуждения.

Порогом возбудимости называется наименьшая сила раздражителя, способная вызвать ответную реакцию возбуждения.

Хронаксия – наименьшее время действия на ткань постоянного электрического тока удвоенной пороговой силы, вызывающего возбуждение ткани.

Реобаза - минимальная сила тока, которая при неограниченно долгом действии вызывает эффект возбуждения.

Лабильность (функциональная подвижность) - скорость протекания элементарных циклов возбуждения в тканях. Лабильность отражает время, в течение которого ткань восстанавливает работоспособность после очередного цикла возбуждения.

Мера лабильности наибольшая частота раздражения ткани, воспроизводимая ею без преобразования ритма.

Парабиоз - состояние, при котором отсутствуют видимые признаки жизни (возбудимость и проводимость).

Фазы парабиоза: уравнительная (одинаковое сокращение мышцы на слабое (пороговое) и сильное раздражение); парадоксальная (на слабое раздражение мышца отвечает сильным сокращением, а на сильное - либо совсем не отвечает, либо сокращается очень слабо); торможения (мышца не сокращается при действии как слабого, так и сильного раздражения).

О птимум - частота раздражений, которая вызывает максимальное сокращение мышцы, называется оптимальной.

При очень частых раздражениях, сокращения мышцы уменьшаются и даже совсем прекращаются. Такая частота называется пессимальной, или пессимумом .

Потенциал покоя (мембранный потенциал) - разность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны в состоянии физиологического покоя клетки.

«Натрий-калиевый насос » - механизм обеспечивающий разность концентрации ионов К+ и Na+ в клетке и во внеклеточной жидкости.

Потенциал действия - пикообразное колебание мембранного потенциала, возникающее в результате кратковременной деполяризации мембраны и последующее восстановление ее исходного заряда.

Д еполяризация - перезарядка клеточной мембраны: внутренняя ее поверхность заряжается положительно, а наружная отрицательно.

Гиперполяризация – увеличение разности потенциаплов клеточной мембраны.

Протофибриллы - тонкие и толстые белковые нити. Толстые протофибриллы образованы из белка миозина , тонкие – из актина .

Если к мышце подвесить груз, то она растягивается, это свойство называется растяжимостью.

Эластичностью мышцы называется возвращение мышцы к первоначальной своей длине после удаления груза.

Пластичностью мышцы называется свойство сохранять удлиненную форму после удаления груза, вызвавшего ее растяжение.

Если к мышце поступает несколько частых импульсов возбуждения, наступает длительное сокращение мышцы, которое называется тетаническим сокращением , или тетанусом .

Зубчатый тетанус наблюдается при такой частоте раздражения, когда импульс действует на мышцу в фазе расслабления.

При большей частоте стимуляции мышца не успевает расслабляться и получается гладкий тетанус .

Аэробная фаза мышечного сокращения осуществляется за счет энергии химических процессов, которые совершаются с участием О2.

Утомление - временное понижение или прекращение работы органа или целого организма в результате их деятельности.

Гипоксия – кислородное голодание.

Скелетные мышцы в покое расслабляются не полностью, а находятся в некотором напряжении, т. е. тонусе.

Тоническим сокращением называют медленно развивающееся слитное сокращение, способное длительно поддерживаться без значительных энергетических затрат

«Медленные» мышечные волокна – содержащие дыхательный пигмент миоглобин - «красные».

«Быстрые» мышечные волокна – не имеющие миоглобина («белые»).

Для характеристики сократительной функции мышцы пользуются понятием «абсолютной силы », которая является величиной пропорциональной сечению мышцы, направленной перпендикулярно ее волокнам и выражается в кг/см2.

Автоматизм - деятельность, не связанная с поступлением нервных импульсов из ЦНС.

Синапс - специальное структурное образование посредством которого осуществляется проведение возбуждения с нерва на мышцу и с нерва на нерв.

[i] При подготовке лекции использовались материалы книги: Физиология сельскохозяйственных животных /, и др.; Под ред. . – 3-е изд., переработанное и дополненное. – М.: Агропромиздат, 1991. – 432с. (Учебники и учебные пособия для высш. учеб. заведений)

тема

«Возбудимость и её измерение, лабильности»

Волгоград – 2018

Содержание:

Возбудимость и её измерение, лабильности.

Свойства биологических мембран.

Мембранный потенциал покоя и действия.

4. Фазы возбудимости при возбуждении .

1 Возбудимость и её измерение, лабильность

Возбудимость

Основным свойством живых клеток является раздражимость, т. е. их способность реагировать изменением обмена веществ в ответ на действие раздражителей. Возбудимость - свойство клеток отвечать на раздражение возбуждением. К возбудимым относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки. Возбуждение - ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы) и неспецифических реакциях (генерация потенциала действия, метаболические изменения). Одним из важных свойств живых клеток является их электрическая возбудимость, т.е. способность возбуждаться в ответ на действие электрического тока. Высокая чувствительность возбудимых тканей к действию слабого электрического тока впервые была продемонстрирована Гальвани в опытах на нервно-мышечном препарате задних лапок лягушки. Если к нервно-мышечному препарату лягушки приложить две соединенные между собой пластинки из различных металлов, например медь-цинк, таким образом, что бы одна пластинка касалась мышцы, а другая - нерва, то мышца будет сокращаться (первый опыт Гальвани).Детальный анализ результатов опытов Гальвани, проведенный А. Вольта, позволил сделать другое заключение: электрический ток возникает не в живых клетках, а в месте контакта разнородных металлов с электролитом, поскольку тканевые жидкости представляют собой раствор солей. В результате своих исследований А.Вольта создал устройство, получившее название «вольтов столб» - набор по следовательно чередующихся цинковых и серебряных пластинок, раз деленных бумагой, смоченной солевым раствором. В доказательство справедливости своей точки зрения Гальвани предложил другой опыт: набрасывать на мышцу дистальный отрезок нерва, который иннервирует эту мышцу, при этом мышца также сокращалась (второй опыт Гальвани, или опыт без металла). Отсутствие металлических про водников при проведении опыта позволило Гальвани подтвердить свою точку зрения и развить представления о «животном электричестве», т. е. электрических явлениях, возникающих в живых клетках. Окончательное доказательство существования электрических явлений в живых тканях было получено в опыте «вторичного тетануса» Маттеуччи, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы раздражал нерв второго нервно-мышечного препарата.В конце XIX века благодаря работам Л. Германа, Э. Дюбуа-Раймона, Ю. Бернштейна стало очевидно, что электрические явления, которые возникают в возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных .

Измерение возбудимости

Электрический ток широко используется в экспериментальной физиологии при изучении характеристик возбудимых тканей, в клинической практике для диагностики и лечебного воздействия, поэтому необходимо рассмотреть механизмы воздействия электри­ческого тока на возбудимые ткани. Реакция возбудимой ткани за­висит от формы тока (постоянный, переменный или импульсный), продолжительности действия тока, крутизны нарастания (изменения) амплитуды тока.

Эффект воздействия определяется не только абсолютным значе­нием тока, но и плотностью тока под стимулирующим электродом. Плотность тока определяется отношением величины тока, протека­ющего по цепи, к величине площади электрода, поэтому при монополярном раздражении площадь активного электрода всегда мень­ше пассивного.

Постоянный ток. При кратковременном пропускании подпорогового постоянного электрического тока изменяется возбудимость ткани под стимулирующими электродами. Микроэлектродные исследования показали, что под катодом происходит деполяризация клеточной мем­браны, под анодом-гиперполяризация. В первом случае будет уменьшаться разность между критическим потенциалом и мем­бранным потенциалом, т. е. возбудимость ткани под катодом увели­чивается. Под анодом происходят противоположные явления, т. е. возбудимость уменьшается. Если отвечает пас­сивным сдвигом потенциала, то говорят об электротонических сдви­гах, или электротоне. При кратковременных электротонических сдви­гах значение критического потенциала не изменяется.

Поскольку практически у всех возбудимых клеток длина клетки превышает ее диаметр, электротонические потенциалы распределя­ются неравномерно. В точке локализации стимулирующего электрода сдвиг потенциала происходит очень быстро и временные параметры определяются величиной емкости мембраны. В удаленных мембраны ток проходит не только через мембрану, но и преодолевает продольное сопротивление внутренней среды. Электротонический по­тенциал падает экспоненциально с увеличением длины, а расстояние, на котором он падает в 1/е раз (до 37%), называют константой длины (λ).

При сравнительно большой продолжительности действия подпорогового тока изменяется не только мембранный потенциал, но и значение критического потенциала. При этом под катодом проис­ходит смещение уровня критического потенциала вверх, что свидетельствует об инактивации натриевых каналов. Таким образом, возбудимость под катодом уменьшается при длительном воздействии подпорогового тока. Это явление уменьшения возбуди­мости при длительном действии подпорогового раздражителя назы­вается аккомодацией. При этом в исследуемых клетках возникают аномально низкоамплитудные потенциалы действия.

Скорость нарастания интенсивности раздражителя имеет суще­ственное значение при определении возбудимой ткани, поэтому чаще всего используют импульсы прямоугольной формы (импульс тока прямоугольной формы имеет максимальную крутизну нараста­ния). Замедление скорости изменения амплитуды раздражителя при­водит к тому, что происходит инактивация натриевых каналов вследствие постепенной деполяризации клеточной мембраны, а сле­довательно, к падению возбудимости.

Увеличение силы стимула до порогового значения приводит к генерации потенциала действия

Под анодом при действии сильного тока происходит изменение уровня критического потенциала, в противоположном направле­нии - вниз. При этом уменьшается разность меж­ду критическим потенциалом и мембранным потенциалом, т. е. возбудимость под анодом при длительном действии тока повыша­ется.

Очевидно, что увеличение значения тока до пороговой величины приведет к тому, что возбуждение будет возникать под катодом при замыкании цепи. Следует подчеркнуть, что этот эффект может быть выявлен в случае продолжительного действия электрического тока. При действии достаточно сильного тока смещение критического потенциала под анодом может быть весьма существенным и достигать первоначального значения мембранного потенциала. Выключение тока приведет к тому, что гиперполяризация мембраны исчезнет, мембранный потенциал вернется к первоначальному значению, а это соответствует величине критического потенциала, т. е. возникает анодно-размыкательное возбуждение.

Изменение возбудимости и возникновение возбуждения под ка­тодом при замыкании и анодом при размыкании носит название закона полярного действия тока. Экспериментальное подтвержде­ние этой зависимости впервые было получено Пфлюгером еще в прошлом веке.

Как указывалось выше, существует определенное соотношение между временем действия раздражителя и его амплитудой. Эта зависимость в графическом выражении получила название кривой «сила-длительность». Иногда по имени авторов ее на­зывают кривой Гоорвега-Вейса-Лапика. На этой кривой видно, что уменьшение значения тока ниже определенной критической величины не приводит к возбуждению ткани независимо от про­должительности времени, в течение которого действует этот раз­дражитель, а минимальная величина тока, вызывающая возбужде­ние, получила название порога раздражения, или реобазы. Величина реобазы определяется разностью между критическим потенциалом и мембранным потенциалом покоя.

С другой стороны, раздражитель должен действовать не меньше определенного времени. Уменьшение времени действия раздражи­теля ниже критического значения приводит к тому, что раздражитель любой интенсивности не оказывает эффекта. Для характеристики возбудимости ткани по времени ввели понятие порога времени - минимальное (полезное) время, в течение которого должен действовать раздражитель пороговой силы с тем, чтобы вызвать возбуждение.

Порог времени определяется емкостной и резистивной характе­ристикой клеточной мембраны, т. е. постоянной временя T=RC.

В связи с тем что величина реобазы может изменяться, особенно в естественных условиях, и это может привести к значительной погреш­ности в определении порога времени, Лапик ввел понятие хронаксии для характеристики временных свойств клеточных мембран. Хронаксия - время, в течение которого должен действовать раздражитель удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Использование этого критерия позволяет точно измерить временные характеристики воз­будимых структур, поскольку измерение происходит на крутом изгибе гиперболы

Хронаксиметрия используется при оценке функционального со­стояния нервно-мышечной системы у человека. При ее органических поражениях величина хронаксии и реобазы нервов и мышц значи­тельно возрастает.

Таким образом, при оценке степени возбудимости возбудимых структур используют количественные характеристики раздражителя - амплитуду, продолжительность действия, скорость нарастания амплитуды. Следовательно, количественная оценка физиологических свойств возбудимой ткани производится опосредованно по характеристикам раздражителя.

Переменный ток. Эффективность действия переменного тока определяется не только амплитудой, продолжительностью воздействия, но и частотой. При этом низкочастотный переменный ток, например частотой 50 Гц (сетевой), представляет наибольшую опасность при прохождении через область сердца. В первую очередь это обусловлено тем, что при низких частотах возможно попадание очередного стимула в повышенной уязвимости миокарда и возникновение фибрилляции желудочков сердца. Действие тока частотой выше 10 кГц представляет меньшую опасность, поскольку длительность полупериода составляет 0,05 мс. При такой длительности импульса мембрана клеток вследствие своих емкостных свойств не успевает деполяризоваться до критического уровня. Токи большей частоты вызывают, как правило, тепловой эффект.

Лабильность

Лабильность - относительно большая скорость протекания элементарных циклов возбуждения в нервной, мышечной или иной возбудимой ткани. Мерой лабильности служит наибольшее число импульсов, которое в состоянии воспроизвести ткань за 1 секунду при сохранении частотного соответствия с максимальным ритмом раздражения. Наибольшей лабильностью обладают нервные волокна.

Лабильность ткани - способность ткани к осуществлению определенного количества законченных циклов возбуждения в секунду.
Резюме: я считаю,что возбудимость это одна из важнейших функций организма.Понятие «возбудимость» часто используется в медицинской и биологической литературе также для характеристики состояния нервных центров головного и спинного мозга (например, дыхательного, сосудодвигательного и др.).

2 Свойства биологических мембран

Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции.

Строение и функции клеточных мембран

1. Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам.

2.Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3.Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4.Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Современными методами электронной микроскопии была определена толщина клеточных мембран (6-12 нм). Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых неодинаково у разных типов клеток. Сложность изучения молекулярных механизмов функционирования клеточных мембран обусловлена тем, что при выделении и очистке клеточных мембран нарушается их нормальное функционирование. В настоящее время можно говорить о нескольких видах моделей клеточной мембраны, среди которых наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная модель.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные на­правлены в водную фазу. Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.

В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются и переносчиками ионов и молекул.

Некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в пло­скости липидного слоя; в обычном состоянии части белковых мо­лекул, выходящие по разные стороны клеточной мембраны, не изменяют своего положения. Здесь описана только общая схема строения клеточной мембраны и для других типов клеточных мем­бран возможны значительные различия.

Электрические характеристики мембран. Особая морфология клеточных мембран определяет их электрические характеристики, среди которых наиболее важными являются емкость и проводимость.

Емкостные свойства в основном определяются фосфолипидным бислоем, который непроницаем для гидратированных ионов и в то же время достаточно тонок (около 5 нм), чтобы обеспечивать эффективное разделение и накопление зарядов и электростатическое взаимодействие катионов и анионов. Кроме того, емкостные свойства клеточных мембран являются одной из причин, определяющих временные характеристики электрических процессов, протекающихщих на клеточных мембранах.

Проводимость (g) - величина, обратная электрическому сопро­тивлению и равная отношению величины общего трансмембранного тока для данного иона к величине, обусловившей его трансмемб­ранной разности потенциалов.

Через фосфолипидный бислой могут диффундировать различные вещества, причем степень проницаемости (Р), т. е. способность кле­точной мембраны пропускать эти вещества, зависит от разности кон­центраций диффундирующего вещества по обе стороны мембраны, его растворимости в липидах и свойств клеточной мембраны. Скорость диффузии для заряженных ионов в условиях постоянного поля в мем­бране определяется подвижностью ионов, толщиной мембраны, рас­пределением ионов в мембране. Для неэлектролитов проницаемость мембраны не влияет на ее проводимость, поскольку неэлектролиты не несут зарядов, т. е. не могут переносить электрический ток.

Проводимость мембраны является мерой ее ионной проницаемо­сти. Увеличение проводимости свидетельствует об увеличении ко­личества ионов, проходящих через мембрану.

Строение и функции ионных каналов. Ионы Na+, K+, Са2+, Сl- проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (ди­аметр 0,5-0,7 нм). Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначительную часть поверхности клеточной мембраны.

Функцию ионных каналов изучают различными способами. На­иболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp». Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный по­тенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то в соот­ветствии с законом Ома величина тока пропорциональна проводи­мости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощью управляющего усилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембран­ная разность потенциалов не изменяется. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране.

В настоящее время установлены многие типы каналов для раз­личных ионов. Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы.

Изучение функции отдельных каналов возможно методом ло­кальной фиксации потенциала «path-clamp». Стеклян­ный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разре­жение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регист­рируют активность одиночного канала. Система раздражения и ре­гистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Ток через одиночный ионный канал имеет прямоугольную форму и одинаков по амплитуде для каналов различных типов. Длительность пребывания канала в открытом состоянии имеет ве­роятностный характер, но зависит от величины мембранного потен­циала. Суммарный ионный ток определяется вероятностью нахож­дения в открытом состоянии в каждый конкретный период времени определенного числа каналов.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диа­лиза, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Ока­залось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное про­странство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мем­браны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так назы­ваемые воротные механизмы).

Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натри­евого канала. Полагают, что в состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na+ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие п-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула.

Работа натриевых каналов определяется величиной мембранного потенциала в соответствии с определенными законами вероятности. Рассчитано, что активированный натриевый канал пропускает всего 6000 ионов за 1 мс. При этом весьма существенный натриевый ток, который проходит через мембраны во время возбуждения, представ­ляет собой сумму тысяч одиночных токов.

При генерации одиночного потенциала действия в толстом нерв­ном волокне изменение концентрации ионов Na+ во внутренней среде составляет всего 1/100000 от внутреннего содержания ионов Na ги­гантского аксона кальмара. Однако для тонких нервных волокон это изменение концентрации может быть весьма существенным.

Кроме натриевых, в клеточных мембранах установлены другие виды каналов, избирательно проницаемых для отдельных ионов: К+, Са2+, причем существуют разновидности каналов для этих ионов.

Ходжкин и Хаксли сформулировали принцип «независимости» каналов, согласно которому потоки натрия и калия через мембрану независимы друг от друга.

Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В ча­стности, для калиевых каналов процесс инактивации, как для на­триевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

Особый интерес представляют кальциевые каналы.

Входящий кальциевый ток, как правило, недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Чаще всего поступающий в клетку кальций выступает в роли «мессенджера», или вторичного посредника. Активация кальциевых каналов обес­печивается деполяризацией клеточной мембраны, например входя­щим натриевым током.

Процесс инактивации кальциевых каналов достаточно сложен. С одной стороны, повышение внутриклеточной концентрации сво­бодного кальция приводит к инактивации кальциевых каналов. С другой стороны, белки цитоплазмы клеток связывают кальций, что позволяет поддерживать длительное время стабильную величину кальциевого тока, хотя и на низком уровне; при этом натриевый ток полностью подавляется. Кальциевые каналы играют существен­ную роль в клетках сердца. Электрогенез кардиомиоцитов рассмат­ривается в главе 7. Электрофизиологические характеристики кле­точных мембран исследуют с помощью специальных методов.

a. На ведущем крае движущейся клетки часто наблюдаются зоны, где плазматическая мембрана образует многочисленные волнистые выросты. b. Деление клетки сопровождается деформацией плазматической мембраны: она впячивается к центру клетки. При делении оплодотворенной яйцеклетки гребневика мембрана впячивается только с одного полюса, пока не достигнет другого. c. Мембраны способны сливаться друг с другом. На этой фотографии мембраны яйцеклетки и сперматозоида вот-вот сольются. Резюме: Все свойства очень полезны для организма.Как я считаю,особенно тем, что связывают свободные радикалы и всячески мешают процессам старения.

3 Мембранный потенциал покоя и действия

потенциал покоя

Схема опыта Ходжкина-Хаксли. В аксон кальмара диаметром около 1 мм, помещенный в морскую воду, вводили активный электрод, второй электрод (электрод сравнения) находился в морской воде. В момент введения электрода внутрь аксона регистрировали скачок отрицательного потенциала, т. е. внутренняя среда аксона была заряжена отрицательно относительно внешней среды.

Электрический потенциал со­держимого живых клеток принято измерять относительно потенци­ала внешней среды, который обычно принимают равным нулю. Поэтому считают синонимами такие понятия, как трансмембранная разность потенциалов в покое, потенциал покоя, мембранный по­тенциал. Обычно величина потенциала покоя колеблется от -70 до -95 мВ. Согласно концепции Ходжкина и Хаксли, величина потенциала покоя зависит от ряда факторов, в частности от селек­тивной (избирательной) проницаемости клеточной для различных ионов; различной концентрации ионов цитоплазмы клет­ки и ионов окружающей среды (ионной асимметрии); работы ме­ханизмов активного транспорта ионов. Все эти факторы тесно свя­заны между собой и их разделение имеет определенную условность.

Известно, что в невозбужденном состоянии клеточная мембрана высокопроницаема для ионов калия и малопроницаема для ионов натрия. Это было показано в опытах с использованием изотопов натрия и калия: спустя некоторое время после введения внутрь аксона радиоактивного калия его обнаруживали во внешней среде. Таким образом, происходит пассивный (по градиенту концентраций) выход ионов калия из аксона. Добавление радиоактивного натрия во внешнюю среду приводило к незначительному повышению его концентрации внутри аксона. Пассивный вход натрия внутрь аксона несколько уменьшает величину потенциала покоя.

Установлено, что имеется разность концентраций ионов калия вне и внутри клетки, причем внутри клетки ионов калия примерно в 20-50 раз больше, чем вне клетки

Разность концентраций ионов калия вне и внутри клетки и высо­кая проницаемость клеточной мембраны для ионов калия обеспечива­ют диффузионный ток этих ионов из клетки наружу и накопление избытка положительных ионов К+ на наружной стороне клеточной мембраны, что противодействует дальнейшему выходу ионов К+ из клетки. Диффузионный ток ионов калия существует до тех пор, пока стремление их двигаться по концентрационному градиенту не уравно­весится разностью потенциалов на мембране. Эта разность потенциа­лов называется калиевым равновесным потенциалом.

Равновесный потенциал (для соответствующего иона, Ек) - разность потенциалов между внутренней средой клетки и внекле­точной жидкостью, при которой вход и выход иона уравновешен (химическая разность потенциалов равна электрической).

Важно подчеркнуть следующие два момента: 1) состояние рав­новесия наступает в результате диффузии лишь очень небольшого количества ионов (по сравнению с их общим содержанием); кали­евый равновесный потенциал всегда больше (по абсолютному зна­чению) реального потенциала покоя, поскольку мембрана в покое не является идеальным изолятором, в частности имеется небольшая утечка ионов Na+. Сопоставление теоретических расчетов с исполь­зованием уравнений постоянного поля Д. Голдмана, формулы Нернста показали хорошее совпадение с экспериментальными данными при изменении вне- и внутриклеточной концентрации К+.

Трансмембранная диффузионная разность потенциалов рассчи­тывается по формуле Нернста:

Ek=(RT/ZF)ln(Ko/Ki)

где Ек - равновесный потенциал;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

Z - валентность нона;

F - постоянная Фарадея;

Ко и Ki - концентрации ионов К+ вне и внутри клетки соответственно.

Величина мембранного потенциала для значений концентрации ионов К+ при температуре +20 °С составит примерно -60 мВ. Поскольку концентрация ионов К+ вне клетки меньше, чем внутри, Ек будет отрицательным.

В состоянии покоя клеточная мембрана высокопроницаема не только для ионов К+. У мышечных волокон мембрана высокопро­ницаема для ионов СГ. В клетках с высокой проницаемостью для ионов Сl-, как правило, оба иона (Сl- и К+) практически в одинаковой степени участвуют в создании потенциала покоя.

Известно, что в любой точке электролита количество анионов всегда соответствует количеству катионов (принцип электронейт­ральности), поэтому внутренняя среда клетки в любой точке электронейтральна. Действительно, в опытах Ходжкина, Хаксли и Катца перемещение электрода внутри аксона не выявило различие в транс­мембранной разности потенциалов.

Поскольку мембраны живых клеток в той или иной степени проницаемы для всех ионов, совершенно очевидно, что без специ­альных механизмов невозможно поддерживать постоянную разность концентрации ионов (ионную асимметрию). В клеточных мембранах существуют специальные системы активного транспорта, работаю­щие с затратой энергии и перемещающие ионы против градиента концентраций. Экспериментальным доказательством существования механизмов активного транспорта служат результаты опытов, в которых активность АТФазы подавляли различными способами, на­пример сердечным гликозидом оуабаином. При этом происходило выравнивание концентраций ионов К+ вне и внутри клетки и мем­бранный потенциал уменьшался до нуля.

Важнейшим механизмом, поддерживающим низкую внутрикле­точную концентрацию ионов Na+ и высокую концентрацию ионов К+, является натрий-калиевый насос. Известно, что в клеточной мембране имеется система переносчиков, каждый из ко­торых связывается с 3 находящимися внутри клетки ионами Na+ и выводит их наружу. С наружной стороны переносчик связывается с 2 находящимися вне клетки ионами К+, которые переносятся в цитоплазму. Энергообеспечение работы систем переносчиков обес­печивается АТФ. Функционирование насоса по такой схеме приводит к следующим результатам:

1. Поддерживается высокая концентрация ионов К+ внутри клет­ки, что обеспечивает постоянство величины потенциала покоя. Вследствие того что за один цикл обмена ионов из клетки выводится на один положительный ион больше, чем вводится, активный транс­порт играет роль в создании потенциала покоя. В этом случае говорят об электрогенном насосе. Однако величина вклада электрогенного насоса в общее значение потенциала покоя обычно невелика и составляет несколько милливольт.

2. Поддерживается низкая концентрация ионов натрия внутри клетки, что, с одной стороны, обеспечивает работу механизма генерации потенциала действия, с другой - обеспечивает сохранение нормальных осмолярности и объема клетки.

3. Поддерживая стабильный концентрационный градиент Na+, натрий-калиевый насос способствует сопряженному транспорту ами­нокислот и сахаров через клеточную мембрану.

Таким образом, возникновение трансмембранной разности по­тенциалов (потенциала покоя) обусловлено высокой проводимостью клеточной мембраны в состоянии покоя для ионов К+ (для мышечных клеток и ионов Сl-), ионной асимметрией концентраций для ионов К+ (для мышечных клеток и для ионов Cl-), работой систем активного транспорта, которые создают и поддерживают ионную асимметрию.

Потенциал действия

Емкость и работа метаболических ионных насосов приводят к накоплению потенциальной электрической энергии на клеточной мембране в форме потенциала покоя. Эта энергия может освобождаться в виде специфических электрических (по­тенциала действия), характерных для возбудимых тканей: нервной, мышечной, некоторых рецепторных и секреторных клеток. Под потенциалом действия понимают быстрое колебание потенциала покоя, сопровождающееся, как правило, перезарядкой мембраны. Форма потенциала действия аксона и терминология, используемая для описания потенциала действия..

Для правильного понимания процессов, происходящих при ге­нерации потенциала действия, используем схему опыта. Если через стимулирующий электрод подавать короткие толчки гиперполяризующего тока, то можно зарегистри­ровать увеличение мембранного потенциала, пропорциональное ам­плитуде подаваемого тока; при этом мембрана проявляет свои ем­костные свойства - замедленное нарастание и снижение мембран­ного потенциала.

Ситуация будет изменяться, если через стимулирующий электрод подавать короткие толчки деполяризующего тока. При небольшой (подпороговой) величине деполяризующего тока мембрана ответит пассивной деполяризацией и проявит емкостные свойства. Подпороговое пассивное поведение клеточной мембраны называется элек­тротоническим, или электротоном. Увеличение деполяризующего тока приведет к появлению активной реакции клеточной мембраны в форме повышения натриевой проводимости (gNa+). При этом проводимость клеточной мембраны не будет подчиняться закону Ома. Отклонение от пассивного поведения проявляется обычно при 50-80% значении порогового тока. Активные подпороговые изме­нения мембранного потенциала называются локальным ответом.

Смещение мембранного потенциала до критического уровня при­водит к генерации потенциала действия. Минимальное значение тока, необходимого для достижения критического потенциала, на­зывают пороговым током. Следует подчеркнуть, что не существует абсолютных значений величины порогового тока и критического уровня потенциала, поскольку эти параметры зависят от электри­ческих характеристик мембраны и ионного состава окружающей внешней среды, а также от параметров стимула.

В опытах Ходжкина и Хаксли был обнаружен, на первый взгляд, удивительный эффект. Во время генерации потенциала действия мем­бранный потенциал уменьшался не просто до нуля, как следовало бы из уравнения Нернста, но изменил свой знак на противоположный.

Анализ ионной природы потенциала действия, проведенный первоначально Ходжкиным, Хаксли и Катцем, позволил установить, что фронт нарастания потенциала действия и перезарядка мембраны (овершут) обусловлены движением ионов натрия внутрь клетки. Как уже указывалось выше, натриевые каналы оказались электроуправляемыми. Деполяризующий толчок тока приводит к активации натри­евых каналов и увеличению натриевого тока. Это обеспечивает ло­кальный ответ. Смещение мембранного потенциала до критического уровня приводит к стремительной деполяризации клеточной мембра­ны и обеспечивает фронт нарастания потенциала действия. Если уда­лить ион Na+ из внешней среды, то потенциал действия не возникает. Аналогичный эффект удавалось получить при добавлении в перфузионный раствор ТТХ (тетродотоксин) - специфического блокатора на­триевых каналов. При использовании метода «voltage-clamp» было показано, что в ответ на действие деполяризующего тока через мембрану протекает кратковременный (1-2 мс) входящий ток, который сменяется через некоторое время выходящим током. При замене ионов натрия на другие ионы и вещества, например холин, удалось показать, что входящий ток обеспечивается натрие­вым током, т. е. в ответ на деполяризующий стимул происходит повы­шение натриевой проводимости (gNa+). Таким образом, развитие фа­зы деполяризации потенциала действия обусловлено повышением на­триевой проводимости.

Критический потенциал определяет уровень максимальной акти­вации натриевых каналов. Если смещение мембранного потенциала достигает значения критического уровня потенциала, то процесс по­ступления ионов Na+ в клетку лавинообразно нарастает. Система на­чинает работать по принципу положительной обратной связи, т. е. возникает регенеративная (самоусиливающаяся) деполяризация.

Перезарядка мембраны, или овершут, весьма характерна для большинства возбудимых клеток. Амплитуда овершута характери­зует состояние мембраны и зависит от состава вне- и внутрикле­точной среды. На высоте овершута потенциал действия приближается к равновесному натриевому потенциалу, поэтому происходит изме­нение знака заряда на мембране.

Экспериментально было показано, что амплитуда потенциала действия практически не зависит от силы стимула, если он превы­шает пороговую величину. Поэтому принято говорить, что потенциал действия подчиняется закону "все или ничего".

На пике потенциала действия проводимость мембраны для ионов натрия (gNa+) начинает быстро снижаться. Этот процесс называется инактивацией. Скорость и степень натриевой инактивации зависят от величины мембранного потенциала, т. е. они потенциалзависимы. При постепенном уменьшении мембранного потенциала до - 50 мВ (например, при дефиците кислорода, действии некоторых лекарст­венных веществ) система натриевых каналов полностью инактивируется и клетка становится невозбудимой.

Потенциалзависнмость активации и инактивации в большой сте­пени обусловлена концентрацией ионов кальция. При повышении концентрации кальция значение порогового потенциала увеличива­ется, при понижении - уменьшается и приближается к потенциалу покоя. При этом в первом случае возбудимость уменьшается, во втором - увеличивается.

После достижения пика потенциала действия происходит реполяризациа, т. е. мембранный потенциал возвращается к контроль­ному значению в покое. Рассмотрим эти процессы подробнее. Раз­витие потенциала действия и перезарядка мембраны приводят к тому, что внутриклеточный потенциал становится еще более поло­жительным, чем равновесный калиевый потенциал, и, следователь­но, электрические силы, перемещающие ионы калия через мембрану, увеличиваются. Максимума эти силы достигают во время пика потенциала действия. Кроме тока, обусловленного пассивным пере­движением ионов калия, был обнаружен задержанный выходящий ток, который также переносился ионами К+, что было показано в опытах с применением изотопа К+. Этот ток достигает максимума спустя 5-8 мс от начала генерации потенциала действия. Введение тетраэтиламмония (ТЭА) - блокатора калиевых каналов - замед­ляет процесс реполяризации. В обычных условиях задержанный выходящий калиевый ток существует некоторое время после гене­рации потенциала действия и это обеспечивает гиперполяризацию клеточной мембраны, т. е. положительный следовой потенциал. Положительный следовой потенциал может возникать и как след­ствие работы натриево-электрогенного насоса.

Инактивация натриевой системы в процессе генерации потенци­ала действия приводит к тому, что клетка в этот период не может быть повторно возбуждена, т. е. наблюдается состояние абсолютной рефрактерности.

Постепенное восстановление потенциала покоя в процессе репо­ляризации дает возможность вызвать повторный потенциал действия, но для этого требуется сверхпороговый стимул, так как клетка находится в состоянии относительной рефрактерности.

Исследование возбудимости клетки во время локального ответа или во время отрицательного следового потенциала показало, что генерация потенциала действия возможна при действии стимула ниже порогового значения. Это состояние супернормальности, или экзальтации.

Продолжительность периода абсолютной рефрактерности ограни­чивает максимальную частоту генерации потенциалов действия дан­ным типом клеток. Например, при продолжительности периода аб­солютной рефрактерности 4 мс максимальная частота равна 250 Гц.

Н. Е. Введенский ввел понятие лабильности, или функциональ­ной подвижности, возбудимых тканей. Мерой лабильности является количество потенциалов действия, которое способна генерировать возбудимая ткань в единицу времени. Очевидно, что лабильность возбудимой ткани в первую очередь определяется продолжительно­стью периода рефрактерности. Наиболее лабильными являются во­локна слухового нерва, в которых частота генерации потенциалов действия достигает 1000 Гц.

Таким образом, генерация потенциала действия в возбудимых мембранах возникает под влиянием различных факторов и сопро­вождается повышением проводимости клеточной мембраны для ионов натрия, входом их внутрь клетки, что приводит к деполяри­зации клеточной мембраны и появлению локального ответа. Этот процесс может достигнуть критического уровня деполяризации, после чего проводимость мембраны для натрия увеличивается до мак­симума, мембранный потенциал при этом приближается к натрие­вому равновесному потенциалу. Через несколько миллисекунд про­исходит инактивация натриевых каналов, активация калиевых ка­налов, увеличение выходящего калиевого тока, что приводит к реполяризации и восстановлению исходного потенциала покоя. Мембранный потенциал , разность электрических потенциалов между растворами a и b, разделенных проницаемой мембраной m : D a b j = j a - j b . В частном случае, когда мембрана проницаема только для определенного В z в (z B - зарядовое число), общего для растворов a и b, мембранный потенциал (иногда его называют потенциалом Нернста) рассчитывают по формуле:

где F -число Фарадея, R -газовая постоянная, Т -абсолютная температура, a B b , a B a - активности . В растворах b и a, D a b j B -стандартный потенциал распределения В, равный

Резюме: Мембранный потенциал покоя есть у любой клетки. Говоря наиболее абстрактно, он нужен для транспорта веществ - самых разных - из клетки и в клетку. Без транспорта ионов нет жизни.

4)Фазы возбудимости при возбуждении.

Изменение возбудимости клетки при развитии возбуждения

Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки.

Супернормальная возбудимость (экзальтация) – состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.

Абсолютная рефрактерность – состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный, раздражитель не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na+ -каналы уже находятся в открытом состоянии.

Относительная рефрактерность – состояние, в котором возбуди­мость клетки значительно ниже нормальной; только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.

Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.

Сопоставление потенциала действия и сокращения миокарда с фазами изменения возбудимости . 1 - фаза деполяризации; 2 - фаза начальной быстрой реполяризации; 3 - фаза медленной реполяризации (фаза плато); 4 - фаза конечной быстрой реполяризации; 5 - фаза абсолютной рефрактерности; 6 - фаза относительной рефрактерности; 7 - фаза супернормальной возбудимости. Рефрактерность миокарда практически совпадает не только с возбуждением, но и с периодом сокращения.

Резюме: я считаю.что время длительности и прцесс каждой фазы зависит анестезирующих веществ,также связано с понижением лабильности и нарушением механизма проведения возбуждения по нервным волокнам.

Лабильность, или функциональная подвижность ткани, была открыта Н. Е. Введенским в 1892 г.

Исследуя частоту возникновения волн возбуждения в зависимости от частоты наносимых раздражений, Н. Е. Введен ский установил, что возбудимая ткань может на частоту раздражения отвечать такой же частотой возникновения волн возбуждения только до определенного предела. Существует какой-то предел частоты раздражения, когда данная ткань уже не отвечает такой же частотой возбуждения. Обычно в этих условиях волны возбуждения возникают гораздо реже, чем частота наносимых раздражений, причем для каждой ткани или даже для той же ткани, находящейся в разных состояниях, существует свой предел.

Этот предел определяется длительностью рефрактерного периода. Рефрактерный период нерва, например, равен 0,002 секунды. Для того чтобы следующее раздражение могло вызвать возбуждение, оно должно попадать в ткань после того, как рефрактерный период, возникший от предыдущего раздражения, кончится. Таким образом, наибольшая частота раздражения, которая может быть нанесена нерву и им воспроизведена, будет 500 раздражении в секунду. Это максимальное количество раздражений, которое может вызвать такое же количество возбуждений. Есть ткани, у которых рефрактерный период более длинный, например мышца, у которой рефрактерный период длится 0,005 секунды. В этом случае предельная частота раздражений, вызывающих одинаковое количество волн возбуждения, не может быть более 200.

Длительность рефрактерного периода не является величиной постоянной. Она может изменяться в период нанесения частых раздражений. Идущие друг за другом, импульсы могут вызвать укорочение рефрактерного периода.

Мерой лабильности или функциональной подвижности считается наибольшее количество раздражений, на которое в ткани возникает такое же количество возбуждений. В наших примерах лабильность нерва будет равна 500, а мышцы - 200.

Статья на тему Лабильность

ОСНОВНЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

План лекции

Основные физиологические свойства тканей. Понятие о возбудимых тканях;

Возбудимость тканей и методы ее оценки.

Изменение возбудимости при возбуждении;

Лабильность тканей, мера лабильности;

Состояния возбудимых тканей: функциональный покой, деятельное состояние.

На сегодняшней лекции мы начинаем рассматривать один из наиболее сложных разделов физиологии – физиологию возбудимых тканей. Этот раздел является очень важным, поскольку его знание является базисом для всего здания физиологии.

При изучении данного раздела мы должны усвоить ряд понятий, которые являются своего рода азбукой физиологии. К таким понятиям относятся:

Физиологические свойства клеток и тканей;

состояния клеток и тканей;

процессы, протекающие в клетках и тканях.

Следует отметить, что в данном случае мы оперируем понятиями клеточного и тканевого уровней. На системном, и тем более организменном уровнях возникают иные закономерности и отношения.

Основные физиологические свойства тканей. Понятие о возбудимых тканях

Под свойством мы понимаем устойчивую характеристику объекта. К физиологическим свойствам тканей относят такие, как раздражимость, возбудимость, лабильность, проводимость, сократимость, способность к секреции.

Раздражимость – это способность ткани изменять свой обмен веществ и энергии под действием раздражителей. Раздражимость это свойство характерное для всех тканей организма.

Возбудимость тканей и методы ее оценки

По мере специализации у ряда тканей возникло новое свойство – возбудимость. Свойство возбудимости характерно только для трех видов тканей – нервной, мышечной и железистой.

Возбудимость – это способность возбудимых тканей на действие раздражителя отвечать возбуждением, которое проявляется в виде биоэлектрического процесса и специфической ответной реакции.

Мерой возбудимости служат два основных показателя – латентный период и порог возбудимости.

Латентный период - это отрезок времени, измеряемый от начала действия раздражителя до появление первых признаков возбуждения. Чем меньше латентный период, тем больше возбудимость.

Порог возбудимости – это минимальная сила раздражителя достаточная для того, чтобы вызвать в возбудимых тканях процесс возбуждения. Чем меньше порог возбудимости, тем выше возбудимость, т.е. порог возбудимости и возбудимость находятся в обратных отношениях.

Например, если порог возбудимости у одной изолированной скелетной мышцы лягушки равен 1,5 вольтам, а второй – 3 вольта, следует считать, что возбудимость у первой мышцы выше, чем у второй.

Изменение возбудимости при возбуждении

Возбудимость в возбудимых тканях меняется в ходе возбуждения в соответствии с определенной закономерностью (см. рис. 1)

Рис.1 Кривая изменения возбудимости в ходе одного цикла возбуждения.

Обозначения: 1. Период латентного дополнения; 2 – фаза абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости); 3 – фаза относительной рефрактерности; 4 – супернормальный период; 5 субнормальный период.

В течение периода латентного дополнения уровень возбудимости в возбудимых тканях повышается, что отражается в снижении порогов возбудимости на этом этапе возбуждения.

В течение фазы абсолютной рефрактерности возбудимость уменьшается до 0. Это означает что на этом отрезке времени возбудимая ткань не может отвечать дополнительным возбуждением, при действии любых по силе раздражителей.

В течение фазы относительной рефрактерности возбудимость начинает постепенно повышаться, однако достигает начального уровня лишь на заключительном этапе развития возбуждения. В течение данного отрезка времени в возбудимой ткани можно дополнительно вызвать возбуждение. Однако, для этого необходимо использовать раздражители, превышающие по силе порог возбудимости.

В супернормальный период возбудимость повышена, что отражается в уменьшении порога возбудимости на этом отрезке времени.

Наконец, в течение субнормального периода возбудимость несколько снижается. При оценке порогов возбудимости на этом отрезке времени отмечается их повышение.

Представленная еривая получена методом парных стимулов. Первый стимул при реализации данного метода выступает в роли раздражителя, формирующего состояние ткани (конденсирующий стимул), а второй в роли стимула выявляющего состояние ткани – тестирующего стимула.

Проводимость возбудимых тканей – способность ткани к проведению (распространения) возбуждения. Весьма высокой проводимостью обладает нервная ткань, в меньшей – мышечная и железистая. Проводимость измеряется в метрах/секунду.

Например, проводимость скелетной мышечной ткани – от 3 до 5 метров в секунду; проводимость гладкомышечной ткани 0,02 – 0,1 м/сек., нервной ткани – от 0,5 до 120 м/сек. В зависимости от типа нервных волокон.

Проводимость оценивают при помощи методов раздражения и регистрации электрофизиологических проявлений возбуждения.

Лабильность тканей, мера лабильности

Лабильность – термин, происходящий от латинского корня labilis – подвижный. Лабильность – это свойство, отражающее функциональную подвижность возбудимых тканей. Данное понятие предложено известным Российским физиологом, учеником И.М.Сеченова, Н.Е.Введенским. По определению Н.Е.Введенского лабильность – это «большая или меньшая скорость тех элементарных реакций, которыми сопровождается физиологическая деятельность данного аппарата». Мерой лабильности является максимально возможное число элементарных циклов возбуждения, которое может воспроизвести возбудимая ткань в единицу времени в соответствии с частотой предъявленного раздражителя. Если частота раздражителя превысит меру лабильности возбудимой ткани, в последней возникнет феномен торможения. Торможение в этом случае будет выполнять охранительно-восстановительную функцию.

Свойства сократимости м способности к секреции являются сугубо частными, присущими в основном мышечной ткани (сократимость) и железистой ткани. Об этих свойствах мы поговорим позже, при изучении соответствующих разделов физиологии.

Состояния возбудимых тканей: функциональный покой, деятельное состояние

К состояниям клеток и тканей относят относительный физиологический покой, деятельное состояние и утомление.

Относительный физиологический покой – это минимальный уровень жизнедеятельности ткани в условиях отсутствия действия на нее раздражителей. Относительный физиологический покой характе-ризуется минимальными колебаниями физиологической активности. На организменном уровне этому понятию соответствует понятие основного обмена .

Деятельное состояние проявляется в различных соотношениях двух основных физиологических процессов – возбуждения и торможения.

Возбуждение – сложная совокупность физиологических биохимических и биофизических процессов, приводящих к активации клеток и тканей. Возбуждение проявляется в двух формах – местного, не распространяющегося и распространяющегося процессов.

Торможение – форма деятельного состояния, приводящая к ослаблению или прекращению текущего возбуждения. Торможение может выполнять две функции: охранительно-восстановительную и координационную. Торможение проявляет себя в снижении амплитуд-ных характеристик процессов, увеличении их временных параметров. Торможение может смениться возбуждением при изменении условий деятельности тканей. Торможение не требует активации восстановитель-ных процессов для перехода в процесс возбуждения. Торможение по отношению к процессу возбуждения вторично.

Утомление по внешним признакам напоминает торможение. Оно может проявляться в снижении амплитудных характеристик процессов, увеличении их временных параметров. Вместе с тем, сущность процесса утомления отличается от процесса торможения.

Утомление - это временное снижение рабостоспособности возбудимых клеток и тканей, возникающее в результате их длительной или интенсивной деятельности и связанной с истощением пластических и энергетических ресурсов, накоплением в них различных метаболитов.

Для устранения утомления требуется восстановительный период необходимый для удаления метаболитов и восстановления энергетических и пластических ресурсов клеток и тканей.