Физиология. Курс лекций

21

по возникшему электрическому градиенту. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным потенциалом.

В спинальных нейронах (табл. 1) Ek= –90 мв. Величина МПП, измеренная с помощью микроэлектродов заметно ниже -70 мв.

Основные ионы, играющие роль в биоэлектрических явлениях – калий, натрий, хлор (табл. 1). Живые клетки содержат избыток калия, начиная с дрожжей и кончая эритроцитами. Для натрия различия обратные - внутри клетки ионов натрия в 10-15 раз меньше, чем снаружи. Распределение хлора является обратным распределению калия. Анионов внутри клетки содержится избыточное количество

Если мембранный потенциал клетки имеет калиевую природу, то, в соответствии с уравнением Нернста, его величина должна линейно снижаться с уменьшением концентрационного градиента этих ионов, например, при повышении концентрации К+ во внеклеточной жидкости.

Таблица 1

Концентрация некоторых ионов внутри и снаружи спинальных мотонейронов млекопитающих

		Концентрация (ммоль/л Н2О)		Разновесный
	Ион		снаружи
		внутри клетки		потенциал (мв)
			клетки
	Na	15,0	150,0	+ 60
	К	150,0	5,5	- 90
	CI	9,0	125,0	- 70

Мембранный потенциал покоя = -70 мв

При меньших концентрациях К+ снаружи клетки кривая зависимости Ем от логарифма отношения концентрации калия снаружи и внутри клетки отличается от теоретической.

Величины натриевого и хлорного равновесных потенциалов для спинальных нейронов (табл. 1) равны соответственно +60 и -70 мв. Значение ЕCL равно величине МПП. Это свидетельствует о пассивном распределении ионов хлора через мембрану в соответствии с химическим и электрическим градиентами. Для ионов натрия химический и электрический градиенты направлены внутрь клетки.

22

Вклад каждого из равновесных потенциалов в величину МПП определяется соотношением между проницаемостью клеточной мембраны для каждого из этих ионов.

Мембранный потенциал действия. Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (миллисекунда) произойдет перезарядка мембраны: ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму оди-

ночного пика, называется мембранным потенциалом действия

(МПД).

МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризации мембраны) до некоторого критического значения, называемого порогом генерации МПД. В гигантских нервных волокнах кальмара МПД равен -60 мВ. При деполяризации мембраны до -45 мВ (порог генерации МПД) возникает МПД.

Во время возникновения МПД в аксоне кальмара сопротивление мембраны уменьшается в 25 раз, с 1000 до 40 Ом.см2, тогда как электрическая емкость не изменяется. Указанное снижение сопротивления мембраны обусловлено увеличением ионной проницаемости мембраны при возбуждении.

По своей амплитуде (100-120 мВ) МПД на 20-50 мВ превышает величину МПП. Другими словами, внутренняя сторона мембраны на короткое время становится заряженной положительно по отношению к наружной, — "овершут" или реверсия заряда.

Во время МПД увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Расчеты показали, что если в состоянии покоя соотношение констант проницаемости мембраны для К+, Na+ и Сl-

равно 1:0,04:0,45, то при МПД - Рк : PNa : Р = 1 : 20 : 0,45. Сле-

довательно, в состоянии возбуждения мембрана нервного волокна не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость, а, напротив, из избирательно проницаемой в покое для ионов калия она становится избирательно проницаемой для ионов натрия. Увеличение натриевой проницаемости мембраны связано с открыванием потенциалзависимых натриевых каналов.

Механизм, который обеспечивает открывание и закрывание ионных каналов, получил название ворот канала. Принято различать

23

активационные (m) и инактивационные (h) ворота. Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: закрытом (m-ворота закрыты; h-открыты), открытом (m- и h-ворота открыты) и инактивированном (m-ворота открыты, h-ворота закрыты) (рис. 3).

Рис.3. Схема положение активационных (m) и инактивационных (h) ворот натриевых каналов, соответствующие закрытому (покой, А), открытому (активация, Б) и инактивированному (В) состояниям

Деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m-ворота натриевых каналов (переход из состояния А в Б) и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов — ионов натрия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и, следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Возникает "регенеративная" деполяризация мембраны, в результате которой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

Причиной прекращения роста МПД и реполяризации мембраны клетки является: а) увеличение деполяризации мембраны, в результате чего снижается электрохимический градиент для ионов натрия. Другими словами, уменьшается сила, "толкающая" натрий внутрь клетки; б) деполяризация мембраны порождает процесс инактивации натриевых каналов (закрывание h-ворот; состояние В канала), который тормозит рост натриевой проницаемости мембраны и ведет к ее снижению; в) деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Выходящий калиевый ток стремится сместить мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала.

Снижение электрохимического потенциала для ионов натрия и инактивация натриевых каналов уменьшает величину входящего натриевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока натрия сравнивается с возросшим выходящим током — рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает

24

входящий, начинается реполяризация мембраны, которая также имеет регенеративный характер. Начавшаяся реполяризация ведет к закрыванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов и т.д.

Фаза реполяризации МПД в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, формируя плато ПД, обусловленное сложными изменениями во времени входящих и выходящих токов через мембрану. В последействии МПД может возникнуть гиперполяризация или/и деполяризация мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболическую. Первая связана с тем, что калиевая проницаемость в нервном волокне мембраны остается некоторое время (десятки и даже сотни миллисекунд) повышенной после генерации МПД и смещает мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электрогенного натриевого насоса, вследствие накопления ионов натрия в клетке.

Причиной деполяризации, развивающейся после генерации МПД, является накопление ионов калия у наружной поверхности мембраны, что ведет к увеличению МПП.

С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью. Во время абсолютного рефракторного периода нервное волокно полностью утрачивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы. Относительная рефрактерность, следующая за абсолютной, характеризуется более высоким порогом возникновения МПД.

Представление о мембранных процессах, происходящих во время возбуждения нервного волокна, служит базой для понимания и явления аккомодации. В основе аккомодации ткани при малой крутизне нарастания раздражающего тока лежит повышение порога возбуждения, опережающее медленную деполяризацию мембраны. Повышение порога возбуждения почти целиком определяется инактивацией натриевых каналов. Роль повышения калиевой проницаемости мембраны в развитии аккомодации состоит в том, что оно приводит к падению сопротивления мембраны. Вследствие снижения сопротивления скорость деполяризации мембраны становится еще медленнее. Скорость аккомодации тем выше, чем большее число

25

натриевых каналов при потенциале покоя находится в инактивированном состоянии, чем выше скорость развития инактивации и чем выше калиевая проницаемость мембраны.

Проведение возбуждения. Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужденным и покоящимися участками мембраны. Последовательность событий в этом случае представляется в следующем виде.

При нанесении точечного раздражения на нервное волокно в соответствующем участке мембраны возникает потенциал действия. Внутренняя сторона мембраны в данной точке оказывается заряженной положительно по отношению к соседней, покоящейся. Между точками волокна, имеющими различный потенциал, возникает ток (локальный ток), направленный от возбужденного (знак (+) на внутренней стороне мембраны) к невозбужденному (знак (-) на внутренней стороне мембраны) к участку волокна. Этот ток оказывает деполяризующее влияние на мембрану волокна в покоящемся участке и при достижении критического уровня деполяризации мембраны в данном участке возникает МПД. Этот процесс последовательно распространяется по всем участкам нервного волокна.

Внекоторых клетках (нейронах, гладких мышцах) МПД имеет не натриевую природу, а обусловлен входом ионов Са2+ по потенциалзависимым кальциевым каналам. В кардиомиоцитах генерация МПД связана с входящими натриевым и натрий-кальциевым токами.

Воснове свойства возбудимости лежит способность ткани генерировать электрические импульсыпотенциалы действия. Все многообразие биологических явлений в живых организмах определяются двумя факторами:

1.Неравновестным (асимметричным, неодинаковым) распределением (концентрации) некоторых ионов по обе стороны клеточной мембраны

2.Проницаемостью мембраны для каждого из этих ионов. Результат любого воздействия на возбудимую ткань в конечном

счете сводится к тому, что изменяется характер распределения ионов по обе стороны мембраны, или изменяется проницаемость мембраны для этих ионов.

Для возникновения мембранного потенциала действия важен пороговый потенциал (ПП).

26

Пороговый потенциал (ПП) – это разность между мембранным потенциалом(МПП) покоя и критическим уровнем деполяризации (КУД):так, если МПП=60 мв, КУД =60 то ПП будет равен 20.

ЛЕКЦИЯ 3.

ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

1.Строение и физиологические свойства (возбудимость, проводимость, сократимость, растяжимость, эластичность, пластичность) скелетных мышц.

2.Механизм мышечного сокращения.

3.Виды сокращения мышц: одиночное, тетаническое, изотоническое, изометрическое, тонус мышц.

4.Работа и утомление мышц. Функциональные проявления утомления мышц.

5.Особенности строения и функциональные отличия гладких мышц от скелетных.

1.Строение и физиологические свойства (возбудимость, проводимость, сократимость, растяжимость, эластичность,

пластичность) скелетных мышц

Передвижение животного, перемещение частей его тела относительно друг друга, работа внутренних органов, акты дыхания, кровообращения, пищеварения, выделения осуществляются благодаря деятельности различных групп мышц.

Мышечные волокна делят на 3 вида: скелетные, сердечные и гладкие.

Характер работы скелетных мышц может быть различным: в одних случаях с помощью мышцы осуществляется перемещение груза, в других — поддержание позы. Поэтому работа мышц делится на два вида — статический и динамический (первый— поддержание груза, позы, второй — перемещение). С точки зрения использования групп мышц в работе различают также локальную и общую работу. Например, движения, совершаемые мелкими группами мышц классифицируют как локальную работу, а движение больших мышечных групп (мышцы ног при движении) — как общую работу.

27

Скелетные (поперечнополосатые) мышцы — это "машины", преобразующие химическую энергию непосредственно в механическую и тепловую. Сокращение мышц возникает в ответ на электрические импульсы, приходящие к ним от α-мотонейронов — нервных клеток, лежащих в передних рогах спинного мозга. Мышцы и иннервирующие их мотонейроны составляют нервно-мышечный аппарат. В результате сократительной деятельности скелетных мышц осуществляется поддержание позы, перемещение частей тела относительно друг друга, передвижение в пространстве.

У высших животных имеются три типа мышц: поперечнополосатые скелетные (произвольные), поперечнополосатые сердечные (непроизвольные), гладкие мышцы внутренних органов, сосудов и кожи (непроизвольные). Отдельно рассматриваются специализированные сократительные образования — миоэпителиальные клетки, мышцы зрачка и цилиарного тела глаза.

Помимо свойств возбудимости и проводимости, мышцы обладают сократимостью, т. е. способностью укорачиваться или изменять степень напряжения при возбуждении. Функция сокращения возможна благодаря наличию в мышечной ткани специальных сократимых структур.

Скелетные мышцы выполняют ряд важных функций: 1 — передвижение тела в пространстве, 2 — перемещение частей тела относительно друг друга, 3 — поддержание позы, 4 — передвижение крови и лимфы, 5 — выработка тепла, 6 — участие в акте вдоха и выдоха, 7 — депонирование воды и солей, 8 — защита внутренних органов (например, органов брюшной полости).

В таблице 2 обобщены данные о динамических свойствах волокон скелетных мышц.

Основным морфофункциональным элементом нервномышечного аппарата является двигательная единица (ДЕ). ДЕ — это мотонейрон с иннервируемыми им мышечными волокнами. Аксон мотонейрона из спинного мозга проходит в составе периферических нервов до мышцы, внутри которой разветвляется на множество концевых веточек. Каждая концевая веточка заканчивается на одном мышечном волокне, образуя нервно-мышечный синапс. Импульсы, идущие по аксону мотонейрона, активируют все иннервируемые им мышечные волокна. Поэтому ДЕ функционирует как единое морфофункциональное образование.

28

			Таблица 2
Характеристика волокон скелетных мышц
Динамические свойства	Быстрые		Медленные
Цвет волокон	Белые		Красные
Диаметр волокон	Больший		Меньший
Нервно-мышечные синапсы	Сложные		Простые
(постсинаптические складки)
Содержание миоглобина и	Низкое		Высокое
цитохромов
Содержание гликогена	Высокое		Низкое
Активность окислительных	Низкая		Высокая
ферментов
Гликолитическая активность	Высокая		Низкая
Активность АТФ-азы	Низкая		Высокая
митохондрий
Активность миозин-АТФ-азы	Высокая		Низкая

2. Механизм мышечного сокращения

Мотонейрон, его длинный отросток (аксон) и группа мышечных волокон, иннервируемых этим аксоном, составляют двигательную,

или нейромоторную, единицу (рис. 4).

Нейромоторная единица работает как единое целое: импульсы, исходящие от мотонейрона, приводят в действие мышечные волокна.

Сокращению мышечных волокон предшествует их электрическое возбуждение, вызываемое разрядом мотонейронов в области концевых пластинок. Возникающий под влиянием медиатора потенциал концевой пластинки (ПКП), достигнув порогового уровня (около —30 мВ), вызывает генерацию потенциала действия, распространяющегося в обе стороны вдоль мышечного волокна

(рис.4).

Молекулярные механизмы сокращения. Сокращение — это изменение механического состояния миофибриллярного аппарата мышечных волокон под влиянием нервных импульсов. Внешне сокращение проявляется в изменении длины мышцы или степени ее напряжения, или одновременно того и другого.

В основе молекулярного механизма сокращения лежит процесс так называемого электромеханического сопряжения, причем

29

ключевую роль в процессе взаимодействия миозиновых и актиновых миофиламентов играют ионы Са++, содержащиеся в саркоплазматическом ретикулуме. Это подтверждается тем, что в эксперименте при инъекции кальция внутрь волокон возникает их сокращение.

Рис.4. Схематическое изображение двигательной единицы.

Таким образом, сокращение и расслабление мышцы представляет собой серию процессов, развертывающихся в следующей последовательности: стимул  возникновение потенциала действия  электромеханическое сопряжение (проведение возбуждения по Т-трубкам, высвобождение Са++ и воздействие его на систему тропонин — тропомиозин — актин)  образование поперечных мостиков и «скольжение» актиновых нитей вдоль миозиновых  сокращение миофибрилл  снижение концентрации

30

ионов Са++ вследствие работы кальциевого насоса  пространственное изменение белков сократительной системы  расслабление миофибрилл.

После смерти мышцы остаются напряженными, наступает так называемое трупное окоченение. При этом поперечные связи между филаментами актина и миозина сохраняются и не могут разорваться по причине снижения уровня АТФ и невозможности активного транспорта Са++ в саркоплазматический ретикулум.

Мышцы — это органы, которые преобразуют химическую энергию в механическую и тепловую. Коэффициент полезного действия при этом составляет около 30 %, т. е. примерно две трети энергии теряется в виде тепла. Несмотря на эти потери, мышцы работают значительно экономичнее и эффективнее парового двигателя или двигателя внутреннего сгорания.

Непосредственным (прямым) источником свободной энергии для сокращения мышц является АТФ, которая подвергается гидролитическому расщеплению до АДФ и неорганического фосфата во время сократительного акта.

Сократительный аппарат скелетной мышцы представлен миофибриллами, в которых упакованы протофибриллы — толстые и тонкие нити (филаменты). На всем протяжении миофибриллы разделены на отдельные отсеки (саркомеры), длина которых составляет в среднем 2,5 мкм. Они ограничены Z-мембранами (рис.5- 8). Эти мембраны служат для крепления актиновых нитей. В центре саркомера расположены толстые (миозиновые) нити. Они образуют А- диск (анизотропный). Для скрепления толстых нитей имеется мембрана М, которая расположена в центре саркомера. Длина А-диска 1,6 мкм. На уровне Z-мембран к каждому саркомеру спускается поперечная трубочка (Т-трубочка), совокупность которых названа Т- системой. Эти трубочки подходят близко (но не вплотную, щель — 10—20 нм) к терминальным цистернам саркоплазматического ретикулюма. Саркоплазматический ретикулюм (СР) представлен терминальными цистернами (около Z-мембран) и продольными трубочками. СР содержит ионы кальция примерно в концентрации 10'2 мМ, чего в принципе достаточно лишь для 5—6 сокращений. В момент генерации потенциала действия (ПД) происходит распространение ПД вдоль продольной плазматической мембраны, деполяризация передается на Т-трубочку, которая контактирует с терминальной цистерной. В результате открываются кальциевые