4.2. Электрическая сигнализация в возбудимых тканях

Биопотенциалы. Характерной чертой физиологических ре­гуляций, осуществляемых возбудимыми клетками, является использование электрической сигнализации. Среди биопотен­циалов, генерируемых нервными клетками, выделяют: потен­циал покоя, локальный потенциал, рецепторный потенциал и потенциал действия.

Потенциал покоя (ПП) это разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью мембраны у клетки, которая находится в состоянии физиологического по­коя (рис. 4.2). При этом наружная сторона заряжена положи­тельно, внутренняя отрицательно. Величина ПП может

Измерительный Е,мВПотенциал действия

Уровень нулевого I

заряда мембраны Л ^вР^{емя 50 мс}

Уровень критической деполяризации

Внеклеточный электрод

Внутриклеточный электрод а

+20 0

-20

-40 Ек -60 Ео -80

t t t

Подпороговые раздражители Пороговый 1.2 - локальные ответы раздражитель (потенциалы)

б

прибор

Рис. 4.2. Мембранные потенциалы: а — поляризация клеточной мембраны в покое; б — зависимость величины депо­ляризации мембраны от силы раздражителя (£₀— потенциал покоя)

быть в пределах 30—90 мВ. Для обозначения величины отри­цательного заряда мембраны применяют символ Е₀ (Е₀ = 30—90 мВ). В механизме возникновения потенциала покоя ведущая роль принадлежит следующим факторам.

1. Наличие разности концентраций (градиентов) ионов К⁺ и Na⁺ между внутриклеточной и внеклеточной средой. Гради­ент по содержанию Na⁺ в разных клетках - от 10 до 15. Так, в цитоплазме нервной клетки концентрация Na⁺ составляет в среднем 15 мМ/л, а во внеклеточной жидкости — 150 мМ/л, т.е. снаружи клетки Na⁺ в 10 раз больше, чем внутри.

Иное распределение К⁺ Внутри клетки его от 30 до 40 раз больше, чем снаружи. Так, содержание К⁺ в нейроне — 150 мМ/л, а в межклеточной жидкости — 5,5 мМ/л.

Содержание ионов хлора (С1~) и кальция (Са²⁺) снаружи клеток больше, чем внутри. Градиент по хлору у разных клеток может значительно различаться, составляя от 12 до 30. Гради­ент же по кальцию может достигать 10 000.

2. Различная проницаемость клеточных мембран для мине­ральных ионов. Если нейрон находится в состоянии физиоло­гического покоя, то соотношение проницаемости его мембра­ны для ионов К⁺, Na⁺ С1~ можно отразить следующей про­порцией: пК⁺ : nNa⁺ пС1~ = 1:0,04:0,45. В покое проницае­мость мембраны для калия больше, чем для натрия, в 25 раз (1:0,04=25) и больше, чем для хлора, приблизительно в 2 раза.

Из-за большой концентрации К⁺ в клетке и относительно высокой проницаемости для него клеточной мембраны калий выходит из клетки и выносит с собой положительный электри­ческий заряд. Отрицательно заряженные ионы не могут прой­ти через мембрану и остаются в клетке. Таким образом, на клеточной мембране формируется разность потенциалов с от­рицательным зарядом внутри клетки и положительным снару­жи. Подчеркивая важную роль перехода калия, потенциал по­коя часто называют калиевым потенциалом.

Возникает вопрос о том, почему несмотря на высокую про­ницаемость мембраны для К⁺, его содержание в клетке сохра­няется бо'льшим, чем вне клетки. Одна из причин этого — вы­ходящий из клетки калий создает избыток положительного за­ряда снаружи клеточной мембраны и этот заряд препятствует дальнейшему выходу К⁺ из клетки за счет сил отталкивания положительных зарядов. Второй причиной сохранения гради­ента калия является работа натрий-калиевого насоса.

3. Работа натрий-калиевого насоса, которая вносит вклад в создание потенциала покоя. Этот встроенный в мембрану бе­лок называют Ыа⁺,К⁺АТФазой. Расщепляя 1 молекулу АТФ, этот насос переносит 3 иона натрия из клетки наружу и 2 иона калия снаружи внутрь. Следовательно, на 2 положительных заряда, поступающих в клетку, выносится 3 положительных заряда из клетки. Натрий-калиевый насос таким образом ра­ботает в электрогенном режиме. Он вносит прямой вклад в увеличение заряда мембраны. Кроме того, этот насос косвенно способствует поляризации мембраны, создавая высокую кон­центрацию калия в клетке.

Локальный потенциал — это снижение потенциала по­коя (деполяризация), вызываемое воздействием слабых по си­ле (подпороговых) раздражителей (рис. 4.2). Если при увели­чении силы раздражителя деполяризация мембраны достигает критического уровня (Е_к), то локальный потенциал перераста­ет в потенциал действия.

Потенциал действия — это быстрое, высокоамплитуд­ное изменение заряда мембраны, вызываемое действием до­статочно сильных (сверхпороговых) раздражителей (рис. 4.2). Характерным признаком наличия потенциала действия служит появление кратковременной инверсии (перемены) знака заря­да на мембране. Снаружи он на короткое время (0,5—2 мс) становится отрицательным. Величина инверсии может состав­лять до 30 мВ, а величина всего потенциала действия — 60— 130 мВ.

Потенциал действия подразделяют на участки: деполяриза­цию, реполяризацию и гиперполяризацию (см. рис. 4.4). Деполяризацией называют всю восходящую часть потенциа­ла действия, в ней выделяют участок, соответствующий ло­кальному потенциалу (от уровня Е₀ до £_к), быструю деполяри­зацию (от уровня Е_к до уровня 0 мВ), инверсию знака заряда (от 0 мВ до начала реполяризации). Далее идет реполяриза- ция. Приближаясь к уровню Е₀, ее скорость может замедлять­ся, и этот участок называют следовой отрицательностью (или следовым отрицательным потенциалом). У некоторых клеток вслед за реполяризацией идет гиперполяризация (воз­растание поляризации мембраны). Ее называют следовым по­ложительным потенциалом.

Начальную высокоамплитудную быстропротекающую часть потенциала действия называют также пик или спайк. Он

включает фазы деполяризации и быстрой реполяризации (до следового отрицательного потенциала).

В механизме развития потенциала действия важнейшая роль принадлежит увеличению проницаемости клеточной мембраны для ионов Na⁺ (см. рис. 4.4). Например, при дей­ствии на клетку электрического тока он вызывает ее деполяри­зацию, и когда заряд мембраны уменьшается до критического уровня (£_к) — открываются электроуправляемые натриевые каналы. Эти каналы образованы встроенными в мембрану белковыми молекулами, внутри которых имеется своеобраз­ная пора и два вида перекрывающих ее ворот. Различают так называемые активационные, расположенные с наружной сто­роны, и инактивационные ворота, находящиеся с внутренней стороны мембраны (рис. 4.3). Ворота представляют собой участки белковой молекулы, изменяющие свое положение в зависимости от уровня поляризации мембраны. Чтобы канал мог пропускать Na⁺, необходимо, чтобы все его ворота были открыты. Это и происходит, когда деполяризация достигает уровня Е_к. Открытие натриевых каналов приводит к лавинооб­разному вхождению натрия внутрь клетки. Поскольку ионы натрия несут положительный заряд, они нейтрализуют избы­ток отрицательных зарядов в клетке, затем на внутренней сто­роне мембраны происходит инверсия (перемена) знака заряда с отрицательного на положительный.

Na+ Na+

Na+ Na+ ®_Na+®

Na+ Na+

Активация, канал открыт

J

Покой, канал закрыт

Инактивация, канал закрыт

Na+ Na+ ®N„®

и и

Переходный период, ворота закрыты

Рис. 4.3. Состояние ворот натриевых каналов и их проницаемость

в покое и при возбуждении клетки: / — активационныеворота закрыты; 2— инактивационные ворота открыты

Однако натриевые каналы остаются открытыми не более 1 —2 мс. Через такое время от момента начала потенциала действия закрываются инактивационные ворота и натриевые каналы становятся непроходимыми для Na Поэтому поток Na⁺ внутрь клетки резко ограничивается, а поток ионов калия из клетки наружу возрастает из-за открытия калиевых каналов (вспомним, что внутри К⁺ в 30—40 раз больше, чем снаружи). Поток К⁺ удаляет из клетки избыток положительных зарядов и мембрана быстро реполяризуется — на ее внутренней сторо­не восстанавливается отрицательный заряд. У некоторых воз­будимых клеток последние стадии восстановления заряда мо­гут быть замедлены; этот период называют следовой отрица­тельностью. За следовым отрицательным потенциалом у неко­торых нервных клеток может быть повышение поляризации мембраны. Это явление называют гиперполяризацией или следовым положительным потенциалом, а временной интер­вал — следовой положительностью.

Изменение заряда мембраны имеет жесткую связь с измене­нием возбудимости клетки. При действии на клетку подпорого- вого по силе кратковременного раздражителя (см. рис. 4.2) воз­никает локальный потенциал и возбудимость в это время повы­шается. Когда поляризация мембраны возвращается к исходному уровню, возбудимость также приходит к нормальному значению (условно исходная величина возбудимости принята за 100%).

Если же на клетку действует сверхпороговый раздражитель, то величина локального потенциала достигает уровня Е_к и воз­никает потенциал действия. В этот момент возбудимость клетки мгновенно падает до нулевого уровня. Начинается фаза абсо­лютной рефрактерности (невозбудимости). Эта фаза длится до начала реполяризации. После начала реполяризации возбудимость клетки начинает возрастать, но остается пони­женной относительно уровня нормы — фаза относительной рефрактерности. Во время следовой отрицательности возбу­димость клетки повышена - фаза супернормальной возбуди­мости (или экзальтации), а во время следовой положительнос­ти — понижена (фаза субнормальной возбудимости).

Возбудимость клетки имеет прямую зависимость от разно­сти уровней потенциала покоя (Е₀) и потенциала критической деполяризации (£_к). Эту разность называют пороговым потен­циалом (АЕ):

АЕ = Е₀- Е_к.

Чем меньше АЕ, тем больше возбудимость. Так, у скелет­ных мышц Л£ составляет около 40 мВ (£₀ у них 90 мВ, Е_к = = 50 мВ, тогда ДЕ = 90—50 = 40 мВ). У большинства нервных волокон АЕ = 20 мВ, т.е. в среднем в 2 раза меньше, чем в мы­шечных. Поэтому возбудимость нервных волокон выше, чем мышечных.

Сенсорные рецепторы и рецепторный потенциал. Сен­сорные рецепторы — это специализированные клетки или нервные окончания, которые воспринимают действие раздра­жителей и обеспечивают преобразование и передачу инфор­мации о них на нервные волокна. При этом сигнализация о действующем раздражителе вначале кодируется рецепторным потенциалом, а затем в нервном волокне преобразуется в по­тенциал действия.

20 мс

20 мс + ^ .

— 100%|—^—

-60

_ -- Ео

Гиперполяризация "80

+20

Е. мВ

Увеличение проницаемости для Na+ и К+

Е, мВ

0-2 - Деполяризация

Уровень возбудимости

Рис. 4.4. Изменения поляризации клеточной мембраны, ее проницаемос­ти и возбудимости при развитии потенциала действия (ПД): а(верхняя часть) — ПД и его фазы: деполяризация (0— соответствующая локальному потенциалу, / - быстрая деполяризация, 2- инверсия заряда мембраны), 3, 4,5 —ре- поляризация, 6 — гиперполяризация. ПД также подразделяют на части: пик(спайк) -

1,3, следовую отрицательность - 4—5,следовую положительность — 6; а(нижняя часть) — изменения возбудимости соответственно фазам ПД: абсо­лютной рефрактерности — /, относительной рефрактерности — 2,повышенной (супернормальной) возбудимости — 4 — 5,субнормальной возбудимости — 6; б — соотношение ПД и проницаемости мембраны дляNa⁺ и К⁺

а б

Экстерорецепторы воспринимают действие раздражите­лей, поступающих из внешней среды, интерорецепторы —

действие раздражителей из внутренней среды, проприоре- цепторы чувствительны к изменениям состояния скелетных мышц, сухожилий и суставных сумок.

97

Подразделение сенсорных рецепторов по морфологическо­му признаку представлено ранее. Их классифицируют также по функциям и ряду других признаков (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Классификация сенсорных рецепторов

Характеристика	Рецепторы
По характеру ощущения	Тепловые, холодовые,болевые
По природе адекватного раздражи­теля	Механорецепторы, терморецеп­торы, хеморецепторы, фоторе­цепторы, барорецепторы, осмо- рецепторы
По месту расположения в организ­ме, специализации восприятия раз­дражителей из внешней или внут­ренней среды	Экстерорецепторы, интероре- цепторы,проприорецепторы
По способности активироваться одним или несколькими видами раздражителей	Мономодальные, полимодаль­ные
По степени удаления от организма воспринимаемого источника раз­дражения	Контактные, дистантные
По порогу раздражения	Низкопороговые, высокопоро­говые
По скорости адаптации	Быстро адаптирующиеся, мед­ленно адаптирующиеся, неадап- тирующиеся
По отношению к различным мо­ментам действия раздражителя (активация в начале, в конце, в на­чале и конце)	Оп-рецепторы, of-рецепторы, on-of-рецепторы
По морфологии и механизму воз­никновения возбуждения	Первично чувствующие, вторич­но чувствующие

Рецепторный потенциал и преобразование его в по­тенциал действия. Рассмотрим возникновение рецептор- ного потенциала в сенсорном рецепторе — тельце Пачини. Этот рецептор представляет собой инкапсулированное нерв-

4 3ак. 181

Перехваты Ранвье

1

+1

Раздражитель

Рецептор

Миелин

0

-20

-40 Ек -60 Ео -80

10 мс

+20

Е,мВ

+++

+++

-в— Потенциал действия

возникает в ближайшем , к рецептору перехвате I Ранвье

Афферектное нервное волокно

Рис. 4.5. Рецепторный потенциал и генерация потенциала действия в ближайшем к рецептору перехвате Ранвье

ное окончание в коже. Он воспринимает прикосновение и дав­ление (рис. 4.5). При действии давления окружающая рецеп­тор капсула деформируется и изменяет структуру мембраны нервного окончания. В мембране формируются каналы утечки, через которые в цитоплазму входят ионы Na⁺ Поток Na⁺ внутрь нервного окончания вызывает деполяризацию мембра­ны рецептора. Рецепторным потенциалом называют изме­нение уровня поляризации мембраны рецептора, вызываемое воздействием раздражителя. Это местный потенциал, который быстро уменьшается (затухает) по мере удаления от точки воз­никновения. Между силой действующего раздражителя и ве­личиной рецепторного потенциала существует логарифмиче­ская зависимость.

Преобразование рецепторного потенциала в потенциал действия происходит благодаря возникновению локальных круговых токов между деполяризованной мембраной рецепто­ра и ближайшим перехватом Ранвье (в мякотных нервных во­локнах, рис. 4.5). На мембране нервного волокна в области та­ких перехватов сосредоточено много электроуправляемых на­триевых каналов. Под влиянием кругового тока мембрана в перехвате Ранвье деполяризуется до критического уровня и

эти каналы открываются и обеспечивают генерацию потенци­ала действия.

Таким образом, в афферентных нервных волокнах потен­циал действия первично возникает на ближайшем к рецептору участке мембраны нервного волокна, имеющем потенциалза- висимые натриевые каналы. Возникнув в начале волокна, по­тенциал действия проводится вдоль него по направлению к те­лу нейрона и далее к нервным центрам.

В сенсорных рецепторах, которые образованы не нервными оконча­ниями, а целостными нервными или эпителиальными клетками, возник­ший рецепторный потенциал оказывает возбуждающее действие на чув­ствительное нервное окончание через синаптическую связь. При возник­новении рецепторного потенциала в синаптическую щель выделяется медиатор, который деполяризует постсинаптическую мембрану нервного окончания, и на ближайшем безмиелиновом участке этого волокна воз­никает потенциал действия, передающийся к нервным центрам.

В хеморецепторах механизм генерации рецепторного потенциала не­сколько отличается от механизма в механорецепторах. Так, в обонятель­ных рецепторах молекула вещества (одоранта) связывается с чувстви­тельным к нему рецептором, что приводит к активации цепочки биохими­ческих реакций, образующих вещества (так называемые вторичные по­средники), которые открывают в мембране рецептора натриевые и кальциевые каналы. Вход в рецепторную обонятельную клетку Na⁺ и Са²⁺ обеспечивает генерацию на ее мембране рецепторного потенциала.

При длительном непрерывном действии раздражителя в некоторых видах рецепторов рецепторный потенциал, несмот­ря на продолжающееся воздействие раздражителя, может постепенно уменьшаться. В таком случае частота возникаю­щих в афферентном нервном волокне импульсов также умень­шается. Интенсивность ощущения при этом тоже снижается, и оно может исчезнуть совсем. Такие рецепторы называют адаптирующимися. К быстроадаптирующимся рецепторам от­носятся тактильные (воспринимающие прикосновение), обо­нятельные и ряддругих. Кпрактически неадаптирующимся ре­цепторам относят слуховые, а также дуги аорты и каротидного тельца, воспринимающие давление и растяжение.

Классификация и функции нервных волокон. Их класси­фицируют по морфологическим и функциональным признакам.

Виды нервных волокон и проведение возбуждения. Особенности проведения возбуждения в нервных волокнах за­висят от строения и свойств последних. По этим признакам нервные волокна делят на группы А, В и С. Группы А и В образо­ваны так называемыми миелиновыми волокнами. Они покры­ты миелиновой оболочкой, которая формируется из глиальных клеток и представляет собой слой миелина, состоящего из фосфолипидов, холестерина и ряда других веществ. Миелино- вая оболочка через равные промежутки (0,5—2 мм) прерыва­ется и на мембране нервного волокна остаются не покрытые миелином участки, называемые перехватами Ранвье (длиной 0,3—14 мкм). Волокна группы Аделят на 4 подгруппы: а, Р, у, 5. Волокна Аа — самые большие по диаметру (12—20 мкм), имеют скорость проведения возбуждения 70-120 м/с. Они выполняют функции афферентных волокон, проводящих воз­буждение от тактильных рецепторов кожи, некоторых рецеп­торов мышц и сухожилий, а также являются эфферентными волокнами, передающими возбуждение от спинальных а-мо­тонейронов к типичным сократительным волокнам скелетных мышц. Нервные волокна Ау проводят возбуждение от спи­нальных у-мотонейронов к сократительным клеткам мышеч­ных веретен. Имея диаметр 3—6 мкм, Ay-волокна проводят возбуждение со скоростью 15—30 м/с.

Преганглионарные волокна вегетативной нервной системы относятся к группе В. Это самые тонкие (1 —3 мкм) из миели- новых волокон, имеющие скорость проведения возбуждения 5-12 м/с.

Волокна, не имеющие миелиновой оболочки, относят к группе С. Это афференты от некоторых интерорецепторов, бо­левых и температурных рецепторов кожи, а также постганглио- нарные вегетативные волокна.

Проведение потенциала действия в нервных волокнах про­исходит за счет локальных круговых электрических токов меж­ду возбужденным и невозбуждеными участками волокна. За счет последовательного охвата возбуждением все новых участ­ков нервного волокна возбуждение перемещается по дендри- там и аксонам. В безмиелиновом нервном волокне потенциал действия генерируется каждой точкой поверхностной мембра­ны, и такое проведение возбуждения называют непрерывным. Скорость его составляет 0,5—2,5 м/с и пропорциональна кор­ню квадратному от диаметра волокна.

В миелиновых волокнах имеет место сальтаторное (скачко­образное) проведение возбуждения. Дело в том, что миелин обладает высоким сопротивлением электрическому току и в участках, покрытых миелином, потенциал действия генериро­ваться не может. В участках, не покрытых миелином (перехва­тах Ранвье), мембрана (рис. 4.5) может генерировать потенци­ал действия, так как имеет многочисленные потенциалзависи- мые натриевые каналы и малое сопротивление электрическо­му току.

Локальные круговые токи, обеспечивающие проведение возбужде­ния в миелинизированных волокнах, текут между возбужденными и не­возбужденными перехватами Ранвье. Возникнув в первом (граничащем с рецептором) перехвате Ранвье, потенциал действия посредством локаль­ных круговых токов вызывает генерацию возбуждения в соседних пере­хватах и таким образом распространяется по нервному волокну, как бы перепрыгивая через миелинизированные участки. Поэтому проведение потенциала действия по миелинизированному нервному волокну называ­ют сальтаторным. Такое проведение увеличивает скорость передачи воз­буждения. Она пропорциональна толщине миелинизированного нерв­ного волокна и может достигать 120 м/с.

Транспортная функция нервных волокон. В число функций нервных волокон входит не только проведение воз­буждения, но и транспорт веществ. Длинные отростки нервной клетки (достигающие длины 1 м) затрудняют доставку веществ и органелл, синтезируемых в теле нейрона, к нервным оконча­ниям. Простая диффузия не может обеспечить достаточную скорость такого транспорта. Поэтому выработались специаль­ные механизмы аксонного транспорта веществ.

Аксонный транспорт подразделяют на быстрый и медленный.

Быстрый аксонный транспорт обеспечивает перемеще­ние медиаторов, некоторых внутриклеточных органелл, фер­ментов в направлении от тела нейрона к пресинаптическим терминалям аксона. Такой транспорт называют антеград- ным. Его скорость 25—40 см/сут. Он осуществляется за счет использования энергии клеточного метаболизма с участием белка актина,ионов Са²⁺ и микротрубочек и микронитей,про­ходящих вдоль аксона.

Медленный аксонный транспорт осуществляется со скоростью 1 —2 мм/сут в направлении от тела нейрона к нерв­ным окончаниям. Его скорость соответствует скорости роста аксона, когда он восстанавливает свою длину (регенерирует) после повреждения. Медленный антеградный транспорт пред­ставляет собой движение аксоплазмы вместе с содержащими­ся в ней органеллами, РНК, белками и биологически активны­ми веществами от тела нейрона к его окончаниям.

Кроме того, существует так называемый ретроградный аксонный транспорт. Он идет в направлении от нервного окончания к телу нейрона со скоростью до 30 см/сут. С его помощью к телу нейрона транспортируются фермент ацетил- холинэстераза, фрагменты разрушенных органелл, некоторые биологические вещества, регулирующие синтез белка в ней­роне. Учет наличия ретроградного транспорта важен и потому, что таким способом в нервную систему проникают болезне­творные агенты: вирусы полиомиелита, герпеса, бешенства, столбнячный экзотоксин.

Аксонный транспорт необходим для поддержания нормаль­ной структуры и функции нервных волокон, доставки энерге­тических веществ, медиаторов и нейропептидов в пресинапти- ческие терминали. Он важен для оказания трофического вли­яния на иннервируемые ткани и восстановления поврежден­ных нервных волокон. Если периферический участок нервного волокна пересекается или лишается аксонного транспорта, то он дегенерирует.

Законы проведения возбуждения по нервным волокнам.

1 .Двустороннее проведение возбуждения. Если под воздействием электрического тока в средней части нервного волокна возникнет возбуждение, то оно проводится в обе сто­роны от места возникновения. В обычных условиях в афферен­тных волокнах возбуждение проводится от периферии к телу нейрона, так как возникает в начальном перехвате Ранвье в нервном окончании. В эфферентных и ассоциативных нейро­нах возбуждение возникает в начальном сегменте аксона в об­ласти аксонного холмика, который граничит с телом нейрона. Поэтому потенциал действия в таких нейронах передается от тела нервной клетки к ее окончанию.

2. Изолированное проведение возбуждения. В нервном стволе проходят многие тысячи миелиновых и безмиелиновых волокон, находящихся на микроскопически малых расстояни­ях друг от друга. Несмотря на это, возбуждение проводится по каждому волокну изолированно, не передаваясь на соседние волокна.

3. Закон физиологической непрерывности нервного волокна. Для обеспечения проведения возбуждения по нерв­ному волокну необходима не только его анатомическая цело­стность, но и сохранение физиологических свойств. Например, если анатомически волокно остается целым, но в 5—6 после­довательно расположенных перехватах Ранвье нарушено функ­ционирование электроуправляемых натриевых каналов, то проведение возбуждения в этом волокне будет прервано. Именно путем выключения проводимости натриевых каналов достигается блокада проведения возбуждения при действии новокаина и других анестетиков (в случае проводниковой анестезии). Нарушение физиологических свойств и потеря проводимости нервных волокон происходит также при гипо­ксии (недостатке кислорода), охлаждении, длительном дей­ствии электрического тока и т.д.

В отличие от синапсов нервные волокна в нормальных го- меостатических условиях практически не утомляемы. Они мо­гут часами проводить импульсацию.

Электрическая сигнализация и синапсы. Синапс(отгреч. synapsis — соприкосновение, соединение) специализиро­ванная структура, обеспечивающая передачу возбуждающих или тормозных влияний с одной возбудимой клетки на другую. Это может быть передача возбуждения или торможения с од­ной нервной клетки на другую, с нервной клетки на волокно скелетной или гладкой мышцы, а также с рецепторной клетки на нервное волокно.

Виды синапсов. По механизму передачи возбуждения си­напсы подразделяют на электрические, химические и смешан­ные. В электрических синапсах возбуждение передается элек- тротонически, за счет локальных круговых токов между пре- и постсинаптическими мембранами. Эти мембраны находятся очень близко друг к другу (на расстоянии 1 —2 нм), между ними существуют щелевые контакты, обладающие хорошей элект­ропроводностью. Однако абсолютное большинство синапсов в организме человека химические. Ниже представлены их классификация, строение и свойства (см. рис. 4.6, 4.7).

Синапсы, располагающиеся в пределах центральной нерв­ной системы (ЦНС), называют центральными, а находящиеся вне ЦНС — периферическими. Периферические синапсы пе­редают сигнализацию с нервных волокон на эффекторные ор­ганы (мышцы, внутренние органы).

По признаку медиатора (вещества-посредника), выделяе­мого в синапсах, их подразделяют на: холинергические — аце- тилхолин, адренергические — адреналин и норадреналин, се-

ротонинергические серотонин и др. Кроме названных ве­ществ медиаторами могут бытьдофамин, аминокислоты глута- мин и аспарагин, выполняющие возбуждающую функцию в нервных центрах. Тормозные влияния передаются чаще всего нейромедиаторами глицином и гамма-аминомасляной кисло­той (ГАМК).

Кроме того, в передаче возбуждения в синапсах могут участ­вовать пептиды: вещество П, ВИП (вазоинтестинальный пеп­тид), соматостатин, эндорфины, энкефалины и др. Эти вещес­тва выделяются вместе с основным медиатором (ацетилхоли- ном, норадреналином, серотонином) и оказывают модулирую­щее действие на передачу возбуждения в синапсе. Аналогичное модулирующее действие могут также оказывать АТФ, гистамин и простагландины.

Важнейшими структурами любого синапса являются пре- синаптическая терминаль, синаптическая щель и постсинап- тическая мембрана. Структура нервно-мышечного синапса, передающего возбуждение с окончания мотонейрона на во­локно скелетной мышцы, представлена на рис. 4.6. В нервно- мышечном синапсе пресинаптическая терминаль формирует­ся тонкой веточкой аксона, которая, подходя к мышечному волокну, образует утолщение (пуговку, бляшку, бутон). В пресинаптической терминали находятся синаптические пу­зырьки (везикулы), содержащие запасы медиатора ацетилхо-

Синапс активирован

Синаптическая

щель -

+ + + + + + + + + + + + + + + + + Wit + + + + * Ч * "^l"^f *

Нервное волокно

Пресинаптическая терминаль _ Пресинаптическая + мембрана

Ca²⁺J

-Са²⁺

h

3i

^ITvi

^Wri jjim" ttm

jjjm™

Мембрана постсинаптическая

ят ccccj_ :т с с с в с

эми ссссс j»» ccccc_ я») eccc;

;»» tccc;

;»» tccc:

Саркомер

Puc. 4.6. Передача возбуждения в нервно-мышечном синапсе

лина. Число везикул может быть до нескольких тысяч. Их диаметр — около 40 нм и в каждой содержится несколько ты­сяч молекул медиатора. Когда синапс находится в неактивном состоянии, то большинство везикул с помощью белка синап- сина связаны с цитоскелетом и малоподвижны. В пресинап- тической терминали имеются также митохондрии, обеспечи­вающие выработку АТФ, белки цитоскелета, микротрубочки и микронити, по которым в терминаль из тела нейрона пере­мещаются медиаторы и ферменты.

На обращенной к мышечному волокну поверхности преси- наптической терминали находится пресинаптическая мем­брана. Через нее при активации синапса в синаптическую щель выбрасывается содержащийся в пузырьках медиатор. Отличительной чертой нервно-мышечного синапса от цент­рального является большая протяженность пресинаптической мембраны и большое количество выбрасываемого медиатора. Этого количества медиатора достаточно для того, чтобы один потенциал действия, пришедший по нервному волокну, вызвал возбуждение мышечного волокна. Центральные же синапсы являются более миниатюрными образованиями.

Между пре- и постсинаптическими мембранами располага­ется синаптическая щель шириной около 50 нм. Она заполне­на межклеточным веществом и содержит тяжи плотного ве­щества из мукополисахаридов, с которыми связан ряд фермен­тов, в частности ацетилхолинэстераза, расщепляющих аце- тилхолин, выходящий в синаптическую щель, на холин и уксусную кислоту.

Постсинаптическую мембрану нервно-мышечного синапса называют также концевой пластинкой. На ней имеются много­численные выпячивания, которые увеличивают площадь этой мембраны, и в ней может расположиться до 20 миллионов ре- цепторных белковых молекул. Эти белки наряду с выполнени­ем рецепторной функции формируют каналы, через которые могут проходить ионы калия и натрия.

Механизм передачи возбуждения в нервно-мышеч­ном синапсе. Потенциал действия, передающийся по нерв­ному волокну, приходит к пресинаптической терминали и вы­зывает деполяризацию ее мембраны (рис. 4.6). Деполяриза­ция приводит к открытию встроенных в мембрану кальциевых каналов и ионы Са²⁺ из межклеточной жидкости поступают внутрь пресинаптической терминали. Этот поток ионов Са²⁺ идет по градиенту концентрации, так как снаружи клетки содер­жание кальция в 10 ООО раз большее, чем внутри. За счет входа ионов Са²⁺ его содержание в цитоплазме повышается (в 10—100 раз) и это приводит к изменению конформации молекул белка си- напсина, ослаблению его связей с цитоскелетом и синаптически- ми везикулами. Везикулы получают подвижность и некоторые из них сливаются с пресинаптической мембраной и выбрасывают порцию (квант) медиатора в синаптическую щель. Этот процесс по механизму подобен экзоцитозу и идет с участием белков синап- тобревина, синаптотагмина, синтаксина, синаптопорина. Под влиянием одного ПД в синаптическую щель выбрасывается аце- тилхолин из десятков синаптических пузырьков.

Молекулы ацетилхолина в течение 0,2 мс диффундируют к постсинаптической мембране и связываются с Н-холиноре- цепторами, которые выполняют роль ворот в ионных каналах, пропускающих Na⁺ и К⁺ При этом ворота открываются и че­рез ионные каналы внутрь мышечного волокна начинает вхо­дить Na⁺ а из волокна выходить К⁺ Поток входящего Na⁺ больше, чем поток выходящего К⁺ так как Na⁺ идет не только по градиенту концентрации, но и по градиенту заряда (на внут­ренней стороне мембраны отрицательный заряд до —90 мВ). Входящие положительно заряженные ионы Na⁺ снижают от­рицательный заряд внутренней стороны мембраны (на 40 — 50 мВ), возникает ее деполяризация. Такую деполяризацию постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса на­зывают потенциалом концевой пластинки (ПКП). Деполя­ризация концевой пластинки приводит к возникновению локального кругового электрического тока между нею и обыч­ной, граничащей с синапсом, мембраной, на которой имеются электроуправляемые натриевые каналы. Эти каналы открыва­ются, и на граничащей с синапсом электровозбудимой мембране возникает потенциал действия {ПД). Он распро­страняется вдоль мышечного волокна по сарколемме и вглубь его по мембранам поперечных трубочек, пронизывающих волокно.

Почему же потенциал действия возникает на прилежащей к синапсу мембране, а не на постсинаптической? Постсинаптическая мембрана не может генерировать ПД, так как на ней нет потенциалзависимых натри­евых каналов, которые обеспечивают быстрый вход Na⁺ и перезарядку мембраны. К тому же выходящий наружу ток К⁺ противодействует пере­зарядке мембраны концевой пластинки.

Вызванное выбросом ацетилхолина открытие лигандзави- симых каналов постсинаптической мембраны длится около 1 мс, затем они закрываются из-за разрушения ацетилхолина ферментом ацетилхолинэстераэой. Концевая пластинка вос­станавливает свой заряд (реполяризуется). После этого си­напс готов к передаче новой волны возбуждения. В устранении молекул ацетилхолина из синаптической щели также имеет значение обратный захват их пресинаптической мембраной, вымывание с током интерстициальной жидкости и диффузия в кровь. Время от момента прихода ПД к пресинаптической мембране до момента возникновения ПД на мембране мышеч­ного волокна называют синаптической задержкой. В нерв- но-мышечном синапсе она составляет около 1 мс.

Эффект от активации синапса и выхода медиатора в синап­тическую щель зависит не только от природы медиатора, но и от того, какие рецепторы имеются на постсинаптической (и пресинаптической) мембране.

В холинергических синапсах на постсинаптических мем­бранах могут быть N- и М-холинорецепторы (а также их под­виды М|, М2, М3). Название Н-холинорецепторы получили из-за того, что кроме ацетилхолина связываются с никотином. М-холинорецепторы наряду с ацетилхолином активируются также ядом мухомора — мускарином.

Механизмы передачи влияния медиатора на состояние пост­синаптической мембраны могут различаться в зависимости от ви­да синапса и рецепторов, встроенных в эту мембрану. Это разли­чие послужило поводом для выделения ионотропных и метабо- тропных синапсов (рис. 4.7). На данном рисунке показан ионо- тропный синапс, на постсинаптической мембране которого находятся N-холинорецепторы, являющиеся частью ионных ка­налов. Соединение медиатора с таким рецептором непосред­ственно открывает каналы, проводящие Na⁺ и К Преобладает вход Na⁺, и возникает постсинаптический потенциал (ВПСП).

Примером ионотропных синапсов служат N-холинергиче- ские синапсы скелетных мышц. Примером метаботропных си­напсов могут быть М-холинергические синапсы во внутрен- ных органах, а также синапсы между нейронами в ряде отделов центральной нервной системы. Характерной чертой метабо­тропных синапсов является то, что выделяющийся в синапти­ческую щель медиатор воздействует на проницаемость и поля­ризацию постсинаптической мембраны не непосредственно, а через ряд веществ вторичных посредников (G-белок, его субъединицы и т.д.) (рис. 4.7).

Постсинаптическая Na⁺|t_K+Na jt^+Na

Не активен

Ионотропный синапс

Активирован

Ацетилхолин- эстераза \

входит

—V . ♦ ■ J ■ l.'ij.l . V Ca^zV"

\ с ■ Ацетилхолин¹, • • \ /

Ацетилхолин- эстераза

о ° о Везикулы О _ о о Белки

N-холино- рецептор

Постсинаптическая мембрана

о О ° ⁰ Р«Ь (? n°Q

Пресинаптическая мембрана

' li . м«⁺|А . [i

Na⁺, К⁺-каналы закрыты

Са²⁺-каналы закрыты

мембрана Na⁺ Na⁺ Na⁺ Каналы открыты

Активирован

Са²⁺

Ацетилхолин- эстераза\^

Везикулы о о Белки

о о ⁰ „о

° SOP

He активен

М-холино- Ионные рецептор каналы закрыты

А А

Метаботропный синапс

Ацетилхолин- эстераза⁴^

входит

М-ХОЛ

\ рецеп

Са²⁺-каналы закрыты

/

G-белок с субъединицами

.'»^Са²⁺ \ Ацетилхолин ■ , , • , ⁴—

Комплекс а-ГТФ открывает каналы (выход К⁺, гиперполяризация)

Рис. 4.7 Особенности передачи возбуждения в ионотропных и метаботропных синапсах

В метаботропном синапсе М-холинорецептор после связи с медиато­ром передает активирующее влияние на мембранный G-белок. Активи­рованный G-белок присоединяет молекулу ГТФ (гуанозинтрифосфат) и расщепляется на части (а или ру-единицы). Далее комплекс аГТФ при­соединяется (с внутренней стороны мембраны) к белку, образующему мембранный ионный канал, и открывает его. Таким образом, в М-холи- нергических синапсах гладких мышц открываются калиевые каналы. Это приводит к выходу калия из клетки и гиперполяризации постсинаптиче­ской мембраны — образованию тормозного постсинаптического потен­циала (ТПСП). В холинергических (типа М₂) синапсах сердца калиевые каналы постсинаптической мембраны открываются путем воздействия субъединиц |3у, отщепляющихся от G-белка.

В сердечной мышце на постсинаптических мембранах преобладают Мг-холинорецепторы. Их активация сопровождается снижением сокра­тимости и возбудимости сердечной мышцы. Холинергические синапсы в сердце и других внутренних органах формируются окончаниями парасим­патических постганглионарных волокон. Симпатический же отдел веге­тативной нервной системы влияет на гладкомышечные структуры и внут­ренние органы посредством медиатора норадреналина.

В адренергических синапсах на постсинаптической мем­бране могут быть а- и p-адренорецепторы. Если на мембранах гладкомышечного волокна преобладают а-адренорецепторы (это имеет место в сосудах кожи и органов брюшной полости), то при действии норадреналина и адреналина эти волокна со­кращаются, диаметр сосудов и кровоток в них уменьшаются. Если же в гладких мышцах (бронхах) преобладают р-адрено- рецепторы, то под влиянием адреналина и норадреналина эти мышцы расслабляются. Бронхи при этом расширяются, их проходимость для воздуха увеличивается.

Адренорецепторы подразделяют соответственно на подвиды oij, а₂, аз и Pi, р₂, Р3. Каждый из этих рецепторов имеет свои особенности влияния на течение физиологических процессов. И это приходится учитывать во врачебной практике, в частности при назначении лекарственных препаратов.

Например, больным с инфарктом миокарда показано назначение ле­карств — Р-адреноблокаторов. Они защищают сердце от действия адре­налина и норадреналина и тем самым снижают рабочую нагрузку и по­требность сердца в кислороде. Если такому больному дать препарат ши­рокого спектра действия, блокирующий и Рр и Рг-адренорецепторы, по­является опасность ухудшения состояния больного из-за сокращения бронхиальных мышц (так как выключается расслабляющее действие с р₂-адренорецепторов на мышцы бронхов) и развития одышки. Особенно опасно давать такие препараты пациентам с явлениями бронхиальной астмы. Если же дать препарат, избирательно блокирующий только р_г рецепторы (в сердце преобладают р| -рецепторы), то в большинстве слу­чаев можно избежать неблагоприятной побочной реакции.

Передачу возбуждения в нервно-мышечном синапсе могут нарушать многие факторы. Она прекращается как при блокаде выброса ацетилхо­лина в синаптическую щель, так и при избытке его содержания в зоне постсинаптической мембраны.

Многочисленные яды и лекарственные вещества влияют на выход, захват, связывание с рецептором и разрушение медиатора. Например, яды кураре, кобротоксин, бунгаротоксин необратимо связываются с хо- линорецепторами постсинаптической мембраны и блокируют передачу возбуждения в нервно-мышечных синапсах. Организм погибает из-за остановки сокращений дыхательных мышц и развития удушья.

Микробный токсин ботулинус блокирует передачу возбуждения в синапсах, разрушая белок синтаксин в пресинаптических терминалях и нарушая тем самым управляемый выход ацетилхолина в синаптиче­скую щель.

Ряд боевых отравляющих веществ (зарин, зоман), инсектицидов, фармакологических препаратов (прозерин, неостигмин) блокируют про­ведение возбуждения в нервно-мышечных синапсах путем инактивации ацетилхолинэстеразы — фермента, разрушающего ацетилхолин. При этом происходит накопление ацетилхолина в зоне постсинаптической мембраны, снижение ее чувствительности к медиатору, а также выход из постсинаптической мембраны и погружение в цитозоль рецепторных белков. Действие ацетилхолина становится неэффективным и синапс оказывается заблокированным.

В условиях нормы в покое из пресинаптической терминали в синаптическую щель имеется переход небольшого количест­ва молекул ацетилхолина путем диффузии. Кроме того, с периодичностью около 1 с выбрасывается содержимое (квант медиатора) одиночного пузырька. Такой выход медиатора спо­собен вызвать лишь очень малую (О, I — 0,2мВ)деполяризацию постсинаптической мембраны — миниатюрные потенциалы концевой пластинки. Считается, что такой небольшой спон­танный выход медиатора оказывает трофическое влияние на иннервируемую структуру: стимулирует синтез рецепторных белков, регулирует свойства ионных каналов, обменные про­цессы в клетке и влияет на поддержание ее тканевой специ­фичности.

Свойства химических синапсов:

1. одностороннее проведение возбуждения. Возбужде­ние передается только от пресинаптической мембраны к пост­синаптической;

2. замедленная передача возбуждения. Имеется синапти­ческая задержка в передаче возбуждения с одной клетки на дру­гую. Она обусловлена развитием процессов, обеспечивающих выброс медиатора, диффузию его к постсинаптической мембра­не, прохождение ионных потоков через постсинаптическую мембрану, ее деполяризацию и преобразование локального по­тенциала в потенциал действия. Длительность синаптической задержки в разных синапсах колеблется от 0,5 до 2 мс;

3. способность к суммации эффекта от приходящих к синапсу волн возбуждения. Такая суммация проявляется, если последующая волна возбуждения приходит к синапсу через короткое время (1 — 10 мс) после предыдущей. В таких случаях амплитуда ВПСП возрастает и на эфферентном ней­роне может генерироваться большая частота потенциалов действия.

4. трансформация ритма возбуждений. Частота волн возбуждения, приходящих к пресинаптической мембране, не соответствует частоте потенциалов действия, генерируемых эфферентным нейроном. Исключение составляют синапсы, передающие возбуждение с нервного волокна на скелетную мышцу;

5. низкая лабильность и высокая утомляемость синап­сов. Синапсы могут проводить 50—100 волн возбуждения в се­кунду. Это в 5—10 раз меньше, чем максимальная частота, ко­торую могут проводить нервные волокна. Если нервные волокна считаются практически неутомляемыми, то в синапсах утомле­ние развивается весьма быстро. Это происходит из-за истоще­ния запасов медиатора, энергетических ресурсов, развития стойкой деполяризации постсинаптической мембраны и т.д.,

6. высокая чувствительность синапсов к действию биологически активных веществ, лекарственных препа­ратов и ядов. Например, яд стрихнин блокирует функцию тормозных синапсов ЦНС, связываясь с рецепторами, чув­ствительными к медиатору глицину. Столбнячный токсин бло­кирует тормозные синапсы, нарушая выделение медиатора из пресинаптической терминали. В обоих случаях развиваются опасные для жизни явления. Примеры действия биологически активных веществ и ядов на передачу возбуждения в перифе­рических синапсах рассмотрены выше;

7) облегчение и депрессия передачи возбуждения. Явле­ние облегчения проведения возбуждения имеет место, когда волны возбуждения приходят к синапсу через короткое время (10—50 мс)друг за другом, т.е. с достаточной частотой. Тогда каждый последующий ПД, приходящий к пресинаптической мембране, вызывает больший выброс медиатора в синапти­ческую щель, возрастание амплитуды ВПСП и увеличение эф­фективности синаптической передачи.

Одним из механизмов облегчения является накопление ионов

О I

Са в пресинаптической терминали. Для удаления порции каль­ция, вошедшей в синаптическую терминаль при первой волне возбуждения, необходимо время в несколько десятков миллисе­кунд. Если в это время приходит новый потенциал действия, то новая порция кальция входит в терминаль и эффект ее действия складывается с остаточным количеством кальция, которое каль­циевый насос не успел удалить из нейроплазмы терминали.

Имеются и другие механизмы развития явления облегчения. Этот фе­номен в классических руководствах еще называют "посттетанической потенциацией" Явление облегчения имеет значение в функционирова­нии механизмов памяти, образования условных рефлексов и обучения. В этом случае говорят о пластичности синапсов — улучшении их функций при частой активации.

Депрессия (угнетение) передачи возбуждения в синапсах развивает­ся при поступлении очень частых (для нервно-мышечного синапса более 100 Гц) волн возбуждения к пресинаптической мембране. В механизмах развития депрессии имеют значение: истощение запасов медиатора в пресинаптической терминали, снижение чувствительности постсинапти­ческой мембраны к медиатору, удаление из постсинаптической мембраны комплексов рецептор—медиатор путем эндоцитоза, развитие стойкой де­поляризации постсинаптической мембраны и прилежащих к ней струк­тур, затрудняющей генерацию ПДна эффекторной клетке.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте характеристику понятий "раздражимость" "возбу­димость" Что такое возбуждение и каковы его проявления ?

2. Назовите показатели возбудимости.

3. Перечислите законы раздражения.

4. Перечислите виды биопотенциалов.

5. Что такое потенциал покоя и каково его происхождение?

6. Что такое потенциал действия? Перечислите его фазы и механизмы развития.

7. Дайте характеристику связи возбудимости с уровнем поля­ризации мембраны, соотношения фаз возбудимости и потенциала действия.

8. Дайте характеристику сенсорных рецепторов и классифи­цируйте их.

9. Что такое рецепторный потенциал и какова его роль в воз­никновении потенциала действия?

10. Какова классификация нервных волокон?

11. Дайте характеристику проведения возбуждения в нервных волокнах.

12. Каковы виды и роль аксонного транспорта?

13. Дайте характеристику законов проведения возбуждения по нервным волокнам.

14. Охарактеризуйте строение, функции и классификацию си­напсов.

15. В чем заключается механизм передачи возбуждения в нерв­но-мышечном синапсе?

16. Что такое потенциал концевой пластинки и какова его физиологическая роль ?

17. Каковы механизмы удаления медиатора из синаптической щели ?

18. В чем заключается влияние разных факторов на проведение возбуждения в синапсах?

19. Каковы свойства химических синапсов?

Ситуационные задачи

1. Имеются три нервных волокна. У одного уровень Е₀=70 мВ, уровень £_к=45 мВ; у второго соответственно Е₀=72 мВ, £_к= 58 мВ; у третьего — £₀=70 мВ, £_к=50 мВ. Какое из этих волокон обладает наибольшей возбуди­мостью? наименьшей возбудимостью? У какого из этих волокон наимень­шая пороговая сила раздражителя?

2. В эксперименте обнаружено, что нервное волокно способно генери­ровать 300 потенциалов действия в секунду, а мышечное — максимум 100. Сделайте заключение о лабильности этих структур.

3. У пациента определили хронаксию мышцы сгибателя пальца 0,0015 с, мышцы разгибателя пальца — 0,0030 с. Сравните уровень возбу­димости этих мышц.

4. Как и почему различается возбудимость волокна скелетной мышцы и нервного волокна?

5. Почему при помещении в бессолевую среду нервное волокно не гене­рирует возбуждения при любой силе раздражителя?