Лекция 2.

Тема: Физиология возбудимых тканей

План:

I. История открытия животного электричества.

II. Современные представления о структурно - функциональной организации мембран.

III. Механизм возникновения биопотенциалов.

IV. Изменение возбудимости при прохождении волны возбуждения.

V. Проведение биопотенциалов.

I. История открытия животного электричества.

Электрические явления в животных организмах известны давно. Еще в 1776 г. они были описаны у электрического ската. Началом же экспериментального изучения электрических явлений в животных тканях следует считать опыты итальянского врача Луиджи Гальвани (1791). В опытах он использовал препараты задних лапок лягушки, соединенных с позвоночником. Cуществует легенда, что Л. Гальвани готовил лягушачьи лапки своей больной жене на обед, и идея пришла ему в голову, когда он их просто сгибал туда-сюда. Подвешивая эти препараты на медном крючке к железным перилам балкона, он обратил внимание, что, когда конечности лягушки раскачивались ветром, их мышцы сокращались при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны "животным электричеством", зарождающимся в спинном мозге лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам конечностей.

В 1791г. Л. Гальвани опубликовал свой труд «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Однако, против положения Л. Гальвани о "животном электричестве" выступил физик Александр Вольта. В 1792 г. Вольта повторил опыты Гальвани и установил, что описанные Гальвани явления нельзя считать "животным электричеством". В опыте Гальвани источником тока служил не спинной мозг лягушки, а цепь, образованная из разнородных металлов, - меди и железа.

Вольта был прав. Первый опыт Гальвани не доказывал наличия "животного электричества", но эти исследования привлекли внимание ученых к изучению электрических явлений в живых образованиях.

В ответ на возражение Вольта Гальвани произвел второй опыт, уже без участия металлов. Конец седалищного нерва он набрасывал, стеклянным крючком на мышцу конечности лягушки; при этом также наблюдалось сокращение этой мышцы.

Племянник Гальвани Д. Альдини был пылким сторонником своего дяди и считал, что Вольта заблуждается. Он в своих затеях зашел так далеко, что во время наполеоновских войн стал ставить опыты на головах только что гильотированных людей. Как только голова отлетала, Альдини тут же ее подхватывал и прикладывал ток к ушам и губам, и на отрубленной голове появлялись различные гримасы.

В 1841 г свои исследования в области физиологии начал знаменитый немецкий физиолог Дюбуа Реймон, который считается «отцом» электрофизиологии. Он ввел в электрофизиологию термины, которыми пользуются до сих пор, например, ток покоя. Д. Реймон предполагал, что мышца и нерв ориентированы так, что их продольные участки заряжены положительно, а поперечные – отрицательно. При всяком раздражении происходит поворот этих молекул на 90⁰ и тем самым происходит распространение тока.

Впервые В. .Ю. Чаговец в 1896 году высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку объяснить их с позиции теории электролитической диссоциации С. Аррениуса. В 1902 году Ю. Бернштейном была разработана мембранно–ионная теория, согласно которой потенциал покоя нервных и мышечных волокон определяется избирательной проницаемостью мембраны для ионов калия и их диффузией по концентрационному градиенту.

В 1949 – 1952 гг. мембранно-ионную теорию модифицировали и экспериментально обосновали А. Ходжкин, А. Хаксли и др. Исследователям удалось найти замечательный объект - гигантский аксон кальмара, диаметром 1 мм, иннервирующий мышцы мантии. В такой аксон можно было легко вводить микроэлектрод, заменять внутреннее содержимое волокна искусственными растворами.

На основании проведенных опытов была сформулирована современная мембранная теория, основные положения которой следующие:

1. Мембрана клетки любого возбудимого образования в покое поляризована. При этом ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно, а наружная - положительно;

2. Наличие электрических потенциалов в животных клетках обусловлено неравенством концентраций ионов Na⁺, K⁺, CI^-, Ca²⁺ внутри и вне клетки, а также их различной проницаемостью через мембрану.

3. В состоянии покоя внутри нервных и мышечных клеток концентрация K⁺ в 30-40 раз выше, чем в наружном растворе. Концентрация Na⁺ вне клетки в 10 –12 раз больше, чем внутри. Вне клетки больше также и ионов CI^–.

4. В покое мембрана нервных клеток наиболее проницаема для ионов K⁺, менее для CI^– и очень мало проницаема для ионов Na⁺ (в 100 раз меньше, чем для K⁺).

5. Для многих анионов органических кислот, присутствующих в цитоплазме, мембрана в покое не проницаема.

6. Благодаря преимущественной проницаемости мембраны для ионов К⁺ в состоянии покоя, происходит их перемещение по концентрационному градиенту из клетки наружу.

7. В силу возникающего мембранного потенциала ионы K⁺ по электрическому градиенту частично возвращаются обратно в клетку. Когда число выходящих из клетки ионов K⁺ становится равным числу входящих в клетку, то на мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потенциал, обозначаемый Ек.

II. Современные представления о структурно - функциональной организации мембран.

Клеточная (или плазматическая) мембрана представляет собой тонкую, гибкую и эластичную структуру толщиной всего 7,5-10 нм. Она состоит в основном из белков и липидов. Примерное соотношение ее компонентов таково: белки - 55%, фосфолипиды - 25%, холестерол - 13%, другие липиды - 4%, углеводы -3%.

Структурную основу клеточной мембраны (матрикс) составляет бимолекулярный слой фосфолипидов. Фосфолипиды являются барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей, одна из которых несет заряд и гидрофильна, а другая, напротив, не заряжена и гидрофобна. Молекулы липидов в клеточной мембране ориентированы так, что их гидрофильные головки расположены снаружи, а гидрофобные хвостики – друг к другу. В толще клеточной мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют незаряженными гидрофобными участками (они «спрятаны» от внутриклеточной и внеклеточной воды).

В липидном слое клеточных мембран содержится много холестерина. Обмен липидов, в отличие от белков, происходит медленнее. Однако возбуждение, например, нейронов мозга приводит к уменьшению содержания в них липидов. В частности, после длительной умственной работы, при утомлении количество фосфолипидов в нейронах уменьшается (может быть, с этим связана хорошая память у лиц напряженного умственного труда).

Состав мембранных липидов определяется средой обитания и характером питания. Так, увеличение растительных жиров в пищевом рационе поддерживает жидкое состояние липидов клеточных мембран и улучшает их функции. Избыток холестерина в мембранах увеличивает их микровязкость, ухудшает транспортные функции клеточной мембраны. Однако недостаток жирных кислот и холестерина в пище нарушает липидный состав и функции клеточных мембран.

В липидном бислое располагаются мембранные белки, большинство которых являются гликопротеинами. Различают три типа мембранных белков: 1) интегральные, которые пронизывают мембрану насквозь; 2) полуинтегральные и 3) периферические, которые выступают только над одной ее поверхностью, не достигая другой.

Многие интегральные белки формируют каналы (или поры), через которые во внутри- и внеклеточную жидкость могут диффундировать вода и водорастворимые вещества, особенно ионы. Благодаря избирательности действия каналов одни вещества диффундируют лучше других.

Другие интегральные белки функционируют как белки-переносчики, осуществляя транспорт веществ, для которых липидный бислой непроницаем. Иногда белки-переносчики действуют в направлении, противоположном диффузии, такой транспорт называют активным. Некоторые интегральные белки являются ферментами.

Интегральные белки мембраны могут служить также рецепторами для водорастворимых веществ, включая пептидные гормоны, поскольку мембрана для них непроницаема. Взаимодействие белка-рецептора с определенным лигандом приводит к конформационным изменениям молекулы белка, что, в свою очередь, стимулирует ферментативную активность внутриклеточного сегмента белковой молекулы или передачу сигнала от рецептора внутрь клетки с помощью вторичного посредника. Таким образом, интегральные белки, встроенные в клеточную мембрану, вовлекают ее в процесс передачи информации о внешней среде внутрь клетки.

Молекулы периферических мембранных белков часто бывают связаны с интегральными белками. Большинство периферических белков являются ферментами или играют роль диспетчера транспорта веществ через мембранные поры

Углеводы мембран. Клеточный гликокаликс. Углеводы мембран представлены главным образом в соединении с белками (гликопротеины) или жирами (гликолипиды). Большая часть интегральных белков на самом деле являются гликопротеинами, а примерно 1/10 часть всех липидных молекул мембраны - гликолипидами. Углеводные части мембранных структур почти всегда направлены наружу и выступают над поверхностью клетки. Обширную группу углеводных соединений составляют протеогликаны, состоящие из белка с отходящими от него боковыми углеводными цепями. Эти соединения обычно слабо связываются с мембраной и находятся на ее наружной поверхности. Таким образом, вся наружная поверхность клетки окружена углеводной оболочкой, которую называют гликокаликсом.

Углеводная оболочка клетки выполняет ряд важных функций: (1) большинство клеток способны отталкивать другие отрицательно заряженные частицы благодаря тому, что многие углеводные молекулы имеют отрицательный заряд; (2) гликокаликс соседних клеток скрепляет их друг с другом; (3) многие углеводные цепочки выполняют роль рецепторных молекул для связывания гормонов, включая инсулин.

Рис. 2. Строение клеточной мембраны

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: одни вещества они пропускают, другие - нет. В частности, мембрана легкопроницаема для жирорастворимых веществ, проникающих через липидный слой; большинство мембран пропускает воду. Анионы органических кислот не проходят через мембрану. Но имеются каналы, избирательно пропускающие ионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, С1^–. Степень проницаемости клеточной мембраны для разных ионов различна, что является главным фактором, обеспечивающим высокий электрический потенциал клеток возбудимой ткани.

Существует два основных вида транспорта ионов и молекул через мембрану: активный и пассивный.

Пассивный транспорт – это движение частиц через мембрану в направлении концентрационного градиента (т.е. от большей концентрации к меньшей), а для заряженных частиц (ионов) – еще и электрического градиента (туда, где больше противоположных зарядов). Такой транспорт не требует затрат энергии.

Таким образом, имеются две движущие силы для диффузии ионов через мембрану - концентрационный градиент и электрический градиент. Из этих двух сил складывается суммарная движущая сила для переноса того или иного иона через мембрану.

Структурами, обеспечивающими пассивный транспорт являются трансмембранные белковые комплексы – ионные каналы. Эти комплексы образуют стенки поры, сквозь которую путем простой диффузии и проходят ионы.

Ионные каналы бывают нескольких типов:

- безворотные каналы – представляют собой просто поры в мембране, стенки которых образованы трансмембранными белками. К ним относятся, например, каналы утечки, постоянно открытые для тех или иных ионов.

- каналы с воротами – обладают особыми белковыми участками, способными перекрывать канал – воротами.

Все эти каналы обладают избирательной проницаемостью, т.е. пропускают преимущественно какой-либо один ион – калий, натрий, кальций, хлор и т.д.

Активный транспорт идет против концентрационного и электрического градиента, и поэтому требует затрат энергии. Этот транспорт во многих случаях обеспечивается специальными трансмембранными белковыми комплексами – ионными насосами, перекачивающими ионы против концентрационного и электрического градиента. На это расходуется энергия АТФ, поэтому все ионные насосы одновременно являются ферментами –АТФ-азами.

Рис. 3. Транспорт веществ через плазматическую мембрану

Рис. 4. Строение ионных каналов.

III. Механизм возникновения биопотенциалов.

В покое возбудимые клетки заряжены внутри отрицательно, а снаружи – положительно. Мембранный потенциал при этом колблется в пределах от -30 до -100 мВ (милливольт).

Мембранный потенциал – это разность потенциалов по обе стороны мембраны.

Потенциалом покоя (ПП) называют мембранный потенциал возбудимой клетки в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны в покое.

Разные возбудимые ткани имеют неодинаковый ПП:

ПП нервной ткани -70мВ

ПП мышечной ткани -90мВ

ПП железистой ткани -30 мВ

Таким образом, в покое имеется разделение зарядов по обе стороны мембраны, поэтому говорят, что клетка поляризована. Отсюда следует три важных термина:

1. Снижение мембранного потенциала по абсолютной величине (то есть его сдвиг в положительную сторону, например, от -90 до -60 мВ), называется деполяризацией.

2. Восстановление мембранного потенциала после деполяризации (например, от -60 до -90 мВ), называется реполяризацией.

3. Увеличение мембранного потенциала по абсолютной величине, то есть сдвиг в отрицательную сторону по сравнению с потенциалом покоя (например, от -90 до -100 мВ), называется гиперполяризацией.

В типичной нервной клетке биопотенциалы создаются в результате диффузии двух катионов: Na⁺ и K⁺.

Знак и величина ПП объясняется двумя факторами:

1) Распределением катионов по обе стороны мембраны: во внутри клетки преобладает K⁺ _, снаружи - Na⁺. Такое неравномерное распределение ионов обусловлено работой Na⁺, К⁺ - АТФ-азы, или Na⁺/ К⁺- насоса – механизма активного транспорта, удаляющего из клетки Na⁺ и закачивающего в клетку К⁺.

2) Избирательной проницаемостью мембраны: в покое мембрана высоко проницаема для К⁺ и мало проницаема для Na⁺ (это обусловлено тем, что в мембране имеется большое количество постоянно открытых калиевых каналов утечки).

Таким образом, ионы К⁺ выходят из клетки по концентрационному градиенту, вынося с собой положительные заряды и заряжает наружную поверхность мембраны положительно. Внутри остается избыток анионов, которые создают отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны.

Рис. 5. Распределение ионов по обе стороны мембраны

Потенциал действия (ПД) представляет собой кратковременное изменение мембранного потенциала от уровня покоя примерно до +30 мВ. Длительность его 1-2 мс.

Если в формировании ПП участвуют постоянно открытые калиевые каналы утечки, то в формировании ПД – два вида потенциалчувствительных каналов: быстрые натриевые и потенциалчувствительные калиевые каналы.

Быстрые натриевые каналы (рис. 6) обладают двумя воротами: наружными (активационными) и внутренними (инактивационными). Эти каналы обладают двумя свойствами:

1) Потенциалзависимостью: активационные каналы при ПП закрыты, инактивационные – открыты, в ответ на деполяризацию активационные ворота открываются, инактивационные – закрываются;

2) Времязависимостью: активационные ворота в ответ на деполяризацию открываются очень быстро (десятые доли миллисекунды), инактивационные закрываются также достаточно быстро, но все же медленнее.

Рис.6. Канал для ионов натрия (1) образован макромолекулами белка (2). В канале имеются активационные (А) и инактивационные ворота (И). Состояние а – активационные ворота закрыты, б - активационные ворота открыты, канал может пропускать ионы, в – закрыты инактивационные ворота – канал инактивирован.

На рис. 6 изображена реакция этих каналов на деполяризацию:

1. В состоянии покоя быстрые натриевые каналы закрыты (так как закрыты активационные ворота);

2. В ответ на деполяризацию быстрые натриевые каналы сначала быстро открываются (инактивационные ворота еще не закрылись, активационные уже открылись);

3. Затем с некоторой задержкой (очень небольшой) эти каналы закрываются (так как в ответ на деполяризацию закрываются инактивационные ворота);

4. По окончании деполяризации активационные ворота вновь закрываются, инактивационные открываются – канал переходит в исходное состояние.

Из этого следует три очень важных момента:

1) Быстрые натриевые каналы могут находиться в одном из трех состояний: покоя, активации и инактивации. При этом только в состоянии активации они открыты, так как для того, чтобы канал пропускал ионы, должны быть открыты все ворота.

2) В состоянии и покоя, и инактивации канал закрыт, однако есть существенная разница: в состоянии покоя канал может открыться в ответ на деполяризацию, а в состоянии инактивации – нет. Это имеет принципиальное значение, так как любой раздражитель может вызвать ПДтолько путем деполяризации, а значит, в состоянии инактивации ПД возникнуть не может.

3) Для того, чтобы канал снов стал способен реагировать на раздражитель, клетка должна реполяризоваться, так как только после реполяризации быстрые натриевые каналы возвращаются в состояние покоя.

Потенциалчувствительные калиевые каналы обладают только наружними (активационными) воротами.

Потенциал действия возникает при действии пороговой силы раздражения (порог раздражения – минимальная сила раздражителя, способная вызвать ответную реакцию). Слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает.

Потенциал действия возникает в тот момент, когда деполяризация мембраны достигает критической (пороговой) величины (Екр).

Критический уровень деполяризации Екр (КУД) – это минимальная деполяризация клеточной мембраны, при которой возникает ПД. КУД определяется лишь свойствами мембраны и не зависит от характера раздражителя. Скорость же, с которой происходит деполяризация мембраны, зависит от силы раздражающего тока. Чем меньше сила, тем медленнее развивается деполяризация.

Если исходный потенциал мембраны перед нанесением раздражающего стимула обозначить Е_о, а критическую величину мембранного потенциала Е_к, то можно записать, что Е_к = Е_о + V, где V- пороговый потенциал, т.е. величина, на которую необходимо повысить внутренний потенциал мембраны для возникновения импульса (рис.7).

Рис. 7. Соотношения между исходным уровнем потенциала покоя (Ео), критическим уровнем деполяризации (Ек) и пороговым потенциалом (∆V).

ПД протекает в несколько стадий:

1. фаза деполяризации – процесс исчезновения заряда клетки до нуля. В эту фазу открываются натриевые каналы и мембрана становится проницаемой для ионов Na⁺, которые устремляются внутрь мембраны.

2. фаза инверсии (от лат. inversio – переворачивание) – изменение заряда клетки на противоположный, т. е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи отрицательный;

3. фаза реполяризации - восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя). В эту фазу ионы калия по градиенту концентрации выходят из мембраны, вынося положительный заряд. Кроме того, начинает работать натрий-калиевый насос, который выкачивает ионы натрия из клетки.

4. следовые потенциалы: отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация) и положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация).

Рис. 8. Фазы потенциала действия

IV. Изменение возбудимости при прохождении волны возбуждения.

Если использовать тестирующие электроды в различные фазы ПД, то можно убедиться в изменении возбудимости клетки сопровождающих волну возбуждения (рис. 8).

Изменение возбуждения имеет следующую последовательность:

1. Абсолютная рефрактерность (полное отсутствие возбудимости). Она соответствует фазам деполяризации, овершута и начальной фазе реполяризации ПД. В эти фазы, как писалось ранее большинство натриевых каналов открыто, поэтому ткань не может реагировать на действие последующего раздражителя.

2. Относительная рефрактерность. В этот период часть натриевых каналов успевает закрыться, поэтому при увеличении силы действующего раздражителя можно добиться некоторой ответной реакции. Она соответствует фазе реполяризации ПД.

3. Супервозбудимость (экзальтация) – фаза повышенной возбудимости. В этот период ткань наиболее возбудима. Продолжительность ее в быстрых двигательных волокнах составляет приблизительно 30 мсек. Эта фаза совпадает с периодом отрицательного следового потенциала. При операциях на сердце кардиохирурги стараются избегать этой фазы, поскольку совпадение манипуляций с этой фазой может привести к повышенной возбудимости сердечной мышцы и остановке сердца.

4. Субнормальная (околонормальная) возбудимость наблюдается в период положительного следового потенциала (гиперполяризации).

Рис. 9. Изменение возбудимости при прохождении волны возбуждения.

А – потенциал действия: 1 – деполяризация, 2 – перезарядка (овершут, инверсия), 3 – реполяризация; 4 – отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация), 5 – положительный следовой потенциал (гиперполяризация)

Б – Изменение возбудимости: 1 – абсолютная рефрактерность, 2 – относительная рефрактерность, 3 – супернормальная возбудимость (экзальтация), 4 – субнормальная возбудимость.

V. Проведение биопотенциалов.

Механизм распространение возбуждения по нервным и мышечным волокнам осуществляется при помощи местных токов, возникающих между возбужденными и невозбужденными участками мембраны. Теория проведения возбуждения при помощи местных токов была сформулирована Германом в 1899 году и получила в настоящее время экспериментальное подтверждение.

Главная разница в проведении местных потенциалов и ПД заключается в том, что местные потенциалы распространяются с затуханием, а ПД – без затухания. Это означает, что амплитуда местных потенциалов по мере удаления от точки их возникновения постепенно снижается, а амплитуда ПД – нет. Физиологический смысл этого в том, что местные потенциалы предназначены для местной обработки информации, поэтому им нет необходимости распространяться дальше. Назначение же ПД заключается в передаче информации.

Существует 2 типа нервных волокон:

1. Мякотные (миелинизированные)

2. Безмякотные (немиелинизированные)

К миелинизированным волокнам относятся чувствительные и двигательные волокна, а также часть волокон вегетативной нервной системы.

На рис. 10 показано строение миелинизированного нервного волокна. Миелиновая оболочка создается Шваннновской клеткой, многократно обертывающей осевой цилиндр волокна, поверхность которого образована плазматической мембраной. Свободные от миелиновой оболочки участки мембраны шириной, примерно, 1мкм называют перехватами Ранвье. В нервных волокнах, диаметром 10-20 мкм, длина межперехватных участков составляет 1-2 мм. Миелиновая оболочка участвует в регуляции обмена веществ и росте осевого цилиндра, выполняет функцию электрического изолятора, благодаря высокому сопротивлению и обеспечивает более экономное и быстрое проведение возбуждения.

Рис. 10. Сальтаторное распространение ПД в миелиновых нервных волокнах.

Участки между перехватами, покрытые миелином являются практически невозбудимыми. Перепрыгивание нервного импульса с одного перехвата на другой называют сальтаторным проведением возбуждения. Оно связано с высокой плотностью натриевых каналов в перехватах (до 1000 на 1 мкм мембраны). Сальтаторное проведение возбуждения от одного перехвата до другого оказывается возможным только потому, что амплитуда ПД в каждом перехвате в 5-6 раз превышает пороговую величину, необходимую для возбуждения соседнего перехвата Ранвье.

Предположение о скачкообразном распространении возбуждения в нервных волокнах впервые было высказано Вериго в 1899 году.

Распространение ПД по мембране можно сравнить с распространением пламени по фитилю, набитому порохом: достаточно нагреть фитиль до температуры воспламенения в одном участке и тогда этот участок нагреет соседний, тот вспыхнет, нагреет следующий участок и так далее.

В мышечных и безмякотных волокнах возбуждение осуществляется непрерывно от точки к точке. Такое распространение возбуждения происходит с затуханием.

Безмякотные волокна у позвоночных животных принадлежат в основном симпатической нервной системе. Они не имеют миелиновой оболочки, однако изолированы друг от друга Шванновскими клетками.

Нервы обычно состоят из миелинизированных и немиелинизированных волокон в различном соотношении. В нервах иннервирующих скелетные мышцы преобладают миелинизированные волокна, а в нервах вегетативной нервной системы, например, в блуждающем нерве количество безмякотных волокон достигает 80-95%.