Лекция 3. Физиология возбудимых тканей. Физиология мышц и мышечного сокращения.

    Понятие биологической реакции включает все виды ответной деятельности организма, его клеток и органов на различные воздействия. Реакции клеток проявляются в изменении их формы, структуры, их роста и процесса деления, в образовании в них различных химических соединений, преобразовании потенциальной энергии в кинетическую (электрическую, механическую, тепловую, световую), совершении той или иной работы и т.п.

Раздражители. Раздражителем живой клетки или организма как целого может оказаться любое изменение внешней среды или внутреннего состояния организма, если оно достаточно велико, возникло достаточно быстро, и продолжается достаточно долго.

Все бесконечное многообразие возможных раздражителей можно разделить на 3 группы: физические, физико-химические и химические. К числу физических раздражителей относятся температурные, механические (удар, укол, давление, перемещение, ускорение и т.п.), электрические, световые. Физико-химические раздражители представлены изменениями осмотического давления, активной реакции среды, электролитного состава, коллоидального состояния. К числу химических раздражителей относится множество веществ, имеющих различный состав и свойства, и способных изменить обмен веществ клеток (вещества пищи, лекарства, яды, гормоны, ферменты, метаболиты и т.п.). Раздражителями клеток, вызывающими их деятельность, имеющими особо важное значение в жизненных процессах, являются нервные импульсы. Будучи естественными, т.е. возникающими в самом организме, электрохимическими раздражителями клеток, нервные импульсы, поступая по нервным волокнам от нервных окончаний в ЦНС или приходя от нее к периферическим органам, вызывают направленные изменения их состояния и деятельности.  Все раздражители по месту возникновения делят на внешние (экстеро-) и внутренние (интеро-) раздражители, а по физиологическому значению - на адекватные и неадекватные.

Возбудимость. Клетки нервной, мышечной и железистой тканей специально приспособлены к осуществлению быстрых реакций на раздражение (возбуждаться). Клетки этих тканей называют возбудимыми, а их способность отвечать на различные раздражения возбуждением - возбудимостью. Возбудимость - это свойство клеточной мембраны отвечать на действие раздражающего (возбуждающего) фактора изменением проницаемости и своего электрического состояния. Это явление и носит название возбуждение. Возбуждение представляет собою сложную биологическую реакцию, проявляющуюся в совокупности физических, физико-химических и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния поверхностной клеточной мембраны, (изменение ее мембранного потенциала, МП, и генерация распространяющегося потенциала действия, ПД). Возникнув в одной клетке или в одном ее участке, возбуждение распространяется на другие участки той же клетки или на другие клетки.

Нейроны и мышечные волокна, равно как и другие клетки, отделены от себе подобных плазматической мембраной (Рис. ). В нейронах она называется невролеммой, в мышечных волокнах – сарколеммой. Отличительным свойством плазматических мембран является полупроницаемость. За этим термином скрывается большое различие в проницаемости для разных веществ.

Поскольку каркасом мембраны служит фосфолипидный бислой, то мембрана легко проницаема для незаряженных молекул жирорастворимых веществ. К числу жизненно важных молекул относятся газы – кислород и углекислый газ, легко преодолевающие все клеточные мембраны.

Некоторые мелкие полярные молекулы, включая воду, способны легко преодолевать липидный бислой через межмолекулярные поры. Для других же веществ мембрана непроницаема или малопроницаема. К таковым относятся гидрофильные вещества и крупные полярные молекулы, которые не растворяются в липидах и поэтому отталкиваются липидным остовом. Они проходят сквозь клеточную мембрану с помощью взаимодействия со специальным белком-переносчиком или белком трансмембранного канала. К нерастворимым в жирах веществам, для прохождения которых через клеточную мембрану требуются специальные транспортные белки, относятся анионы органических кислот и белков, глюкоза и аминокислоты (крупные полярные молекулы) и все виды неорганических ионов – Na⁺, K⁺, Cl^-.

Ионные каналы. Под термином «ионные каналы» понимают специализированные мембранные белки (или гликопротеиды), пронизывающие липидный бислой мембраны. Именно через ионные каналы совершается проход ионов через мембрану по электрохимическому градиенту. В настоящее время установлена первичная структура нескольких ионных каналов: нескольких типов рецепторов ацетилхолина – АХ (хемовозбудимый канал) и электровозбудимого Na⁺-канала(Рис. ).

          Возникновение мембранного потенциала

С внутренней и наружной стороны мембраны находится фактически раствор солей, главными ионами которого в количественном отношении являются Na⁺, K⁺, Cl^- и A^- – молекулы внутриклеточных белков в анионной форме. Поскольку A^- не могут проникнуть через мембрану, то по обе стороны мембраны создается неравенство концентраций ионов одного типа. Благодаря этому в норме между внутри- и внеклеточным пространством существует разность электрических потенциалов, называемая мембранным потенциалом (МП), т.е. мембрана электрически поляризована. У возбудимых клеток, находящихся в состоянии физиологического покоя, этот потенциал называют мембранным потенциалом покоя (МПП).

Для возникновения МПП особое значение имеют ионные каналы, проницаемые для ионов Na⁺, K⁺, Cl^- и Са²⁺. Одни являются специфическимиили ионоселективными натриевыми, калиевыми, хлорными и кальциевыми каналами в том отношении, что избирательно пропускают только Na⁺ или K⁺, Cl^– или Са²⁺.

В возбудимой клетке, находящейся в состоянии функционального, покоя все натриевые каналы закрыты, а много калиевых каналов, наоборот, открыто. В мембране имеются каналы и иного рода, каждый из которых не специфически пропускает ионы Na⁺, K⁺, Cl^- , создавая ионную утечку. Они всегда открыты и более всего проницаемы для K⁺. Поэтому в состоянии покоя электрическая проводимость мембраны возбудимой клетки для K⁺ в 10 – 15 раз выше, чем для Na⁺.

Непременным условием формирования МПП является отличие ионного состава цитоплазмы от ионного состава внешнего раствора. Эти различия заключаются в том, что в цитоплазме возбудимой клетки по сравнению с внешней средой (кровью и межклеточной жидкостью) намного меньше Na⁺, но намного больше K⁺ и органических анионов. Такие различия вызваны, как уже отмечалось, непроницаемостью мембраны для больших молекул органических водорастворимых веществ. Различия же в концентрациях Na⁺ и K⁺ создаются преимущественно за счет работы катионного Na⁺,K⁺ - насоса (Рис. ).

Поскольку K⁺ внутри клетки содержится много больше, чем во внеклеточной жидкости, то в силу разности концентраций K⁺ выходит из клетки. Этот процесс выравнивания концентраций катиона должен бы закончиться при равенстве [K⁺]_нар = [K⁺]_вн. Однако достижению такого концентрационного равенства препятствует то, что внутри клетки находятся недиффундирующие (непроникающие) анионы органических молекул А^–. По мере выноса из клетки положительных зарядов в виде K⁺ отрицательный заряд внутри клетки возрастает, а снаружи увеличивается положительный заряд. В итоге на мембране возникает двойной электрический слой – снаружи, главным образом, катионы Na⁺, изнутри анионы А^– , препятствующие дальнейшему выходу K⁺ . По достижении некоторой определенной разности электрических потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны наступает динамическое равновесие между выходящими и входящими катионами K⁺. При этом вход Na⁺ настолько мал, что не может компенсировать потерю K⁺.

Процесс утраты K⁺ клеткой компенсируется работой Na⁺, K⁺- насоса, «закачивающего» обратно K⁺, вышедший из клетки. На этот процесс расходуется энергия, черпаемая молекулярным механизмом насоса из АТФ. Пассивная проницаемость Na⁺ в клетку компенсируется удалением Na⁺ из клетки с помощью Na⁺, K⁺- насоса. Следовательно, в состоянии покоя существует динамическое равновесие между Na⁺, пассивно входящим в клетку, и Na⁺ активно откачиваемым из клетки Na⁺, K⁺- насосом.      

Таким образом, электрохимический градиент катионов и  работа Na⁺, K⁺-насоса являются основными факторами создания трансмембранной разности электрических потенциалов в форме МПП.

Потенциал действия. Если участок нервного или мышечного волокна подвергнуть действию достаточно сильного раздражителя (например, толчка электрического тока), в этом участке возникает возбуждение, одним из наиболее важных проявлений которого служит быстрое колебание МП, называемое потенциалом действия (ПД)

Причиной возникновения ПД является изменение ионной проницаемости мембраны. В состоянии покоя, как уже говорилось, проницаемость мембраны для К+ превышает натриевую проницаемость.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na⁺ резко повышается, и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К⁺. Поэтому поток ионов Na⁺ в клетку начинает значительно превышать направленный наружу поток К⁺. Ток Na⁺ достигает величины +150 мв. Одновременно несколько уменьшается выход К⁺ из клетки. Все это приводит к извращению (реверсии) МП, и наружная поверхность мембраны становится заряженной электро отрицательно по отношению к внутренней поверхности. Указанный сдвиг и регистрируется в виде восходящей ветви пика ПД (фаза деполяризации).

При внутриклеточном отведении можно обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткий интервал, измеряемый тысячными долями секунды, становится заряженным электроотрицательно по отношению к соседнему, покоящемуся участку, т.е. при возбуждении происходит т.н. "перезарядка мембраны". При возбуждении происходит не просто исчезновение ПП, а возникает разность потенциалов обратного знака, в результате чего наружная поверхность мембраны становится заряженной отрицательно по отношению у ее внутренней стороне.

Специфическая ситуация создается, когда сила стимула превышает пороговую. В этом случае электрический ответ клетки максимален, что означает ее переход в активное состояние. Переход нервных и мышечных клеток из состояния покоя в активное состояние проявляется в быстром и резком изменении МПП в электроположительную сторону, называемом потенциалом действия – ПД. При этом величина потенциала может достичь +30 мВ. По достижении пикового значения ПД возвращается к исходному состоянию, т.е. к МПП (Рис.).

Потенциал действия протекает фазно. Временной ход потенциала действия включает четыре последовательных этапа: локальный ответ, деполяризацию, реполяризацию и следовые потенциалы (Рис. ). В ПД принято различать его пик (т.н. спайк - spike) и следовые потенциалы. Пик ПД имеет восходящую и нисходящую фазы. Перед восходящей фазой регистрируется более или менее выраженный т.н. местный потенциал , или локальный ответ. Поскольку во время восходящей фазы исчезает исходная поляризация мембраны, ее называют фазой деполяризации; соответственно нисходящую фазу, в течение которой поляризация мембраны возвращается к исходному уровню, называется фазой реполяризации. Продолжительность пика ПД в нервных и скелетных мышечных волокнах варьирует в пределах 0,4-5,0 мсек. При этом фаза реполяризации всегда продолжительнее.

Кроме пика, в ПД различают два следовых потенциала - следовую деполяризацию (следовой отрицательный потенциал) и следовую гиперполяризацию (следовой положительный потенциал. Следовые потенциалы связаны с восстановительными процессами, развивающимися в мышцах и нерве после окончания возбуждения.

До тех пор, пока сила допорогового стимула невелика, мембранный потенциал изменяется за счет пассивных процессов. Увеличение силы стимула сверх некоторой приводит к активации ионных каналов, изменение мембранного потенциала в этом случае называют локальным ответом. Обычно локальный ответ возникает, если сила раздражения составляет более 50–75% от пороговой величины.

Условия возникновения возбуждения. Для возникновения ПД необходимо, чтобы под влиянием какого-либо раздражителя произошло повышение ионной проницаемости мембраны возбудимой клетки. Однако, возбуждение возможно лишь при условии, если действующий на мембрану агент имеет некоторую минимальную (пороговую) величину, способную изменить мембранный потенциал (МП, или Ео ) до некоторого критического уровня (Ек, критический уровень деполяризации). Стимулы, сила которых ниже пороговой величины, называются подпороговыми, выше - надпороговыми

Законы проведения возбуждения по нервам.

1. Закон физиологической непрерывности. Перерезка, перевязка, а также любое другое воздействие, нарушающее целость мембраны (физиологическую, а не только анатомическую), создают непроводимость.

  2. Закон двустороннего проведения. При нанесении раздражения на нервное волокно возбуждение распространяется по нему в обеих направлениях (по поверхности мембраны - во все стороны) с одинаковой скоростью.

3. Закон изолированного проведения. В нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т.е. не переходят с одного волокна на другое. Это очень важно, так как обеспечивает точную адресовку импульса. Связано это с тем, что электрическое сопротивление миэлиновых и швановской оболочек, а также межклеточной жидкости значительно больше, чем сопротивление мембраны нервных волокон.

Проведение возбуждения. Классификация нервных волокон. Как только в какой-либо точке нервного или мышечного волокна возникает ПД и этот участок приобретает отрицательный заряд, между возбужденными и соседними покоящимися участками волокна возникает электрический ток. В данном случае возбужденный участок мембраны действует на соседние участки как катод постоянного тока, вызывая их деполяризацию и генерируя локальный ответ. Если величина локального ответа превысит Ек мембраны, возникает ПД. В результате наружная поверхность мембраны заряжается отрицательно на новом участке. Таким способом волна возбуждения распространяется вдоль всего волокна со скоростью около 0,5-3 м/сек.

Скорость распространения волны возбуждения – нервного импульса – неодинакова у разных нейронов. Для нервных волокон она определяется главным образом диаметром волокна – чем больше диаметр волокна, тем скорость проведения выше. Кроме того, скорость проведения возбуждения зависит от того, принадлежит ли нервное волокно к мякотным (миелинизированным) или является безмякотным (немиелинизированным) волокном. Оболочка жироподобного вещества миелина служит хорошим изолятором, поэтому распространение волны возбуждения имеет разную скорость в этих типах волокон.

Оболочка миелина в продольном направлении примерно через 1 мм имеет разрывы, называемые перехватами Ранвье . Вследствие электроизолирующих свойств миелина, в тех участках волокна, где он имеется, катионы Na+ в нервное волокно не поступают. Следовательно, возбуждение вдоль миелинизированного участка распространяется особым образом – почти без задержки, скачком (Рис. ). Мембрана в области перехвата специализирована для генерации возбуждения: количество Na⁺-каналов на единицу площади здесь примерно в 100 раз выше, чем в безмякотном волокне.

Обычно все волокна со скоростью проведения больше 3 м/с являются миелинизированными, скорость распространения нервного импульса в таких волокнах позвоночных достигает 100 м/с, тогда как в немиелинизированных она не превышает 3 м/с.

Синапсами называются контакты, которые устанавливают нейроны как самостоятельные образования. Синапс представляет собой сложную структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура воспринимающей клетки).

Пресинаптическая часть химического синапса образуется расширением аксона по его ходу или окончания (рис. ). В пресинаптической части имеются пузырьки. Пузырьки (кванты) содержат медиатор. В пресинаптическом расширении находятся митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора, гранулы гликогена и др. При многократном раздражении пресинаптического окончания запасы медиатора в синаптических пузырьках истощаются. Пузырьки содержат ацетилхолин, который является медиатором в нерно-мышечных синапсах (рис. ).

Роль медиатора заключается в повышении проницаемости постсинаптической мембраны для ионов Na⁺. Возникновение потока ионов Na⁺ из синаптической щели через постсинаптическую мембрану ведет к ее деполяризации и вызывает генерацию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП).  При возбуждении электрическим импульсом, идущим по аксону, пресинаптической части синапса ее мембрана становится проницаемой для ацетилхолина.

Эта проницаемость возможна благодаря тому, что в результате деполяризации пресинаптической мембраны открываются ее кальциевые каналы. Ион Са²⁺ входит в пресинаптическую часть синапса из синаптической щели. Ацетилхолин высвобождается и проникает в синаптическую щель. Здесь он взаимодействует со своими рецепторами постсинаптической мембраны, принадлежащей мышечному волокну. Рецепторы, возбуждаясь, открывают белковый канал, встроенный в липидный слой мембраны. Через открытый канал внутрь мышечной клетки проникают ионы Na⁺, что приводит к деполяризации мембраны мышечной клетки, в результате развива­ется так называемый потенциал концевой пластинки (ПКП). Он вызывает генерацию потенциала действия мышечного волокна. Нервно-мышечный синапс передает возбуждение в одном направлении: от нервного окончания к постсинаптической мембране мышечного волокна, что обусловлено наличием химического звена в механизме нервно-мышечной передачи.

Синаптическая передача возбуждения по сравнению с распространением потенциала действия имеет ряд свойств:

1) наличие медиатора в пресинаптической части синапса;

2) относительная медиаторная специфичность синапса, т. е. каждый синапс имеет свой доминирующий медиатор;

3) возможность действия специфических блокирующих агентов на рецептирующие структуры постсинаптической мембраны;

4) зависимость длительности активной фазы действия медиатора в синапсе от свойств медиатора;

5) односторонность проведения возбуждения;

6) наличие хемочувствительных рецепторуправляемых каналов постсинаптической мембраны;

7) увеличение выделения квантов медиатора в синаптическую щель пропорционально частоте приходящих по аксону импульсов;

8) зависимость увеличения эффективности синаптической передачи от частоты использования синапса («эффект тренировки»;

9) утомляемость синапса, развивающаяся в результате длительного высокочастотного его стимулирования. В этом случае утомление может быть обусловлено истощением и несвоевременным синтезом медиатора в пресинаптической части синапса.

Синаптические медиаторы являются веществами, которые имеют специфические инактиваторы. Например, ацетилхолин инактивируется ацетилхолинэстеразой. Неиспользованный медиатор и его фрагменты всасываются обратно в пресинаптическую часть синапса.

Блокада нервно-мышечной передачи может быть вызвана следующими способами:

1) действие местноанестезирующих веществ, которые блокируют возбуждение в пресинаптической части;

2) блокада высвобождения медиатора в пресинаптической части (например, ботулинический токсин);

3) нарушение синтеза медиатора;

4) блокада рецепторов ацетилхолина, например при действии бунгаротоксина;

5) вытеснение ацетилхолина из рецепторов, например действие кураре;

6) инактивация постсинаптической мембраны сукцинилхолином  и др.;

7) угнетение холинэстеразы, что приводит к длительному сохра­нению ацетилхолина и вызывает глубокую деполяризацию и инактивацию рецепторов синапсов. Такой эффект наблюдается при дей­ствии фосфорорганических соединений.