Важной отличительной особенностью живой клетки является неравномерное распределение инонов внутри ее м во внеклеточном пространстве.

Внутри- и внеклеточные концентрации ионов для мышечной клетки клетки теплокровного животного, ммоль/л

Ион	Внутриклеточная	Внеклеточная
Na^+ К^+ другие катионы Сl^- HCОз^- другие анионы	12 155 4 8	145 4 5 120 27 7
­Мембранный потенциал - 90 мВ

При гибели клетки происходит выравнивание внутриклеточного состава с ионным составом внеклеточной среды. Неравномер­ность концентрации ионов во внутри и внеклеточном пространстве обеспечивается целым рядом механизмов транспорта ионов через мембрану клетки.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ. Механизмы транспорта веществ зависят от состава и структуры биологических мембран, от природы веществ, которые должны пройти через мембрану, от размера молекул и их заряда.

ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ веществ через мембрвну происходит без затраты энергии на этот процесс и может осуществляться как без носителя, так и с помощью специфического транспортера (белка). Он идет по градиенту концентрации, т.е. из зоны с более высо­ким содержанием транспортируемого вещества в зону с более низ­кой его концентрацией.

Пассивный транспорт представлен следующими формами:

- простая диффузия. Электронейтральные молекулы с молек­лярной массой до 100-150 проходят через биологические мембраны сравнительно легко (на основе простой диффузии). Вода, мочевина, СО₂ проникают через полярные области мембраны, N₂, O₂ и некоторые наркотики проходят через гидрофобные зоны. Все зави­сит от растворимости соединений в данной фазе. Речь идет о не­специфических процессах, скорость которых определяется сниже­нием концентрации вещества и находится в прямой зависимости от температуры. Лимитирующими факторами проницаемости являются константы диффузии веществ, концентрационный градиент и расс­тояние. Простая диффузия может идти и через особые образования в мембране - каналы (поры). В последнем случае движение ве­ществ или ионов через мембрану идет быстрее.

- облегченная диффузия. Это пассивный транспорт, обеспе­чиваемый специфическим для данного вещества транспортером. В качестве последнего выступают особые типы белков (белки-носите­ли), которые облегчают диффузию тем, что связывают переносимое вещество на одной поверхности мембраны, проводят его через мембрану и на другой поверхности освобождают переносимое сое­динение. Однако и в этом случае транспорт осуществляется по градиенту концентрации.

- обменная диффузия. Если один и тот же белок носитель способен перенести в обратном направлении другое соединение, т.е. транспортер доставляет внутрь клетки вещество из внекле­точного пространства, где его концентрация выше, а в обратном направлении, опять же по градиенту концентрации, выводит ве­щество, концентрация которого максимальна внутри клетки.

Характерным для двух последних типов диффузии является наличие белка-носителя. Связывание веществ белком-носителем специфично и может быть полностью конкурентно ингибировано, лимитировано насыщением белка-носителя, транспортируемым ве­ществом и зависит от температуры. Процесс, однако, не требует затрат энергии метаболизма и идет по концентрационному гради­енту переносимых соединений. Поэтому с энергетической точки зрения все описанные процессы являются процессами пассивного транспорта.

Если бы в природе существовал только пассивный транспорт, то в конечном счете состав жидкой среды внутри клетки сравнял­ся бы с составом межклеточной среды, но это происходит лишь при очень тяжелой патологии или при гибели клетки. Для живой клетки характерны значительные различия в составе внутри- и внеклеточной среды, что обеспечивается механизмами активного транспорта ионов и веществ.

АКТИВНЫМ ТРАНСПОРТОМ называется процесс, в ходе которого вещество 1) связано с носителем, 2) переносится через мембрану против своего химического или электрохимического градиента. Активный транспорт вещества представляет собой эндоэргоничес­кий процесс - т.е. идет с потреблением энергии и, следователь­но, должен быть обязательно сопряжен с другим процессом (экзо­эргоническим), в ходе котрого освобождается такое же или боль­шее количество энергии. Источником свободной энергии чаще всего является энергия, выделяемая при расщеплении АТФ, которая при нейтральном значении рН составляет - 30,6 кДж ( - 7,3 ккалл). Кроме расщепления АТФ для покрытия энергии, необходимой для транспорта веществ, может быть использован, например, и гради­ент протонов, который возникает в митохондриях в реакциях ды­хательной цепи.

Все многообразие разновидностей молекулярного специфичес­кого транспорта через мембрану, включая активный транспорт против градиента концентраций, реализуется с помощью несколь­ких типов молекулярных машин - насосов, переносчиков, каналов и пор.

Насосы. Деятельность насосов, которые представляют транс­портные АТФазы ( Na⁺-K⁺-АТФаза, Ca²⁺-Mg²⁺-АТФаза, K⁺-H⁺-АТФаза, H⁺-АТФаза, анионная АТФаза и др.), лежит в основе функциониро­вания практически всех известных типов клеток. Ионные насосы, комбинируясь между собой, способны осуществлять самые разнооб­разные функции клеток различных специализаций. Общим для насосов является формированиразличных ионных градиентов за счет энергии АТФ, используемых для вторичной энергизации других транспортных процессов.

Траспортеры. Мобильный переносчик, представляющий собой, как правило, белковую молекулы, движется от одной поверхности мембраны к другой, совершая вертикальные или вращательные дви­жения, с тем чтобы связывать транспортируемые субстраты на одной поверхности мембраны и освобождать - на другой. Типичным примером мобильного переносчика могут служить ионофоры.

Переносчики переносят один или ограниченное число типов молекул через мембрану либо по электрохимическому градиенту, либо благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого ве­щества, движение которого по градиенту концентрации служит ис­точником энергии для сопряженного с ним процесса. Для вторич­ной энергизации используются многие ионные градиенты, в большинстве случаев - ионов натрия (без непосредственного участия АТФ). В клетках высших организмов, и в том числе в энтероцитах, показаны многие типы транспортеров, которые обес­печивают высокоспециализированный транспорт одного или больше типов молекул (переносчики глюкозы, аминокислот и др.) Во мно­гих случаях наряду с натрийзависимым транспортом существует натрийнезависимый транспорт глюкозы, аминокислот и других мо­номеров, образующихся в результате мембранного гидролиза, ко­торый обеспечивается энергией с помощью ионнных механизмов.

Канал (как устройство) характеризуется существованием постоянной или индуцированной поры, через которую проходит транспортируемое вещество. Если несколько молекул интергальных белков в мембране удачно пространственно ориентированы, внутри их группы может возникнуть каналец (пора), который в зависимо­сти от характера боковых цепей, участвующих в его образовании белков, выступающих в полость канальца, может иметь на своей внутренней поверхности преобладание положительных или отрица­тельных зарядов или быть нейтральным, но содержать избыток ги­дрофильных групп.

В каждом канале следует различать наружное и внутреннее устья и суженную часть поры - "селективный фильтр". Устья ка­нала способны принимать ион вместе с его гидратной оболочкой. При поступлении иона в канал происходит замещение молекулы во­ды гидратной оболочки иона на полярные группы полости канала. Работа же по частичной или полной дегидратации иона осущест­вляется в области селективного фильтра.

Однорядный транспорт ионов через канал обладает характер­ными особенностями. Ион относительно долго задерживается в каж­дой потенциальной яме. Это значит, что второй ион ион не может попасть в занятую потенциальную яму из-за элетростатического взаимодействия (отталкивания) с уже находящимся там ионом. Пе­рескоки между ямами совершаются под действием тепловых флукту­аций (колебаний). Выход из канала иона облегчается при появле­нии на входе канала другого иона вследствие их электростатического отталкивания. Проводимость канала зависит от того, насколько заполнены участки "входа" и "выхода" кана­ла, связывающие ионы. При высоких концентрациях элетролита оба участка связывания могут быть заполнены ионами, что приведет к блокаде канала и насыщению его проводимости.

Избирательность каналов по отношению к тем или иным ионам определяется как стерическими характеристиками селективного фильтра, так и составом химических групп (лиганд), обеспечива­ющих электростатическое взаимодействие канала с данным ионом. Особое значение имеют каналы, проницаемые для ионов Na⁺, K⁺, Cl^-, Ca²⁺, т.е. каналы избирательно пропускающие эти ионы. Они обладают воротными механизмами и могут быть в зависимости от их функционального состояния могут быть открытыми или закрытыми. В связи с чем их классифицируют по следующим основным призна­кам: 1) по иону, который избирательно проникает через канал, 2) по механизму, управляющему этим каналом.

Потенциалуправляемые каналы. Работа потенциалуправляемого канала зависит от мембранного потенциала. Наиболее ярким представителем потенциалуправляемого канала является потенциалуправляемый Na⁺- канал. Вход Na⁺ -канал является селективным фильтром, который пропускает практически только Na⁺. В покое Na⁺-каналы закрыты; они открываются лишь во время деполяризации мембраны. Внутри Na⁺-канала имеется воротный механизм, контролируемый потенциалом. Этот компонент поры подвергается влиянию мембранного потенциала через посредством заряженного “сенсора” в липидной фазе мембраны. При депоялризации эти заряды смещаются, вызывая изменение молекулярной конформации, которое открывает проход через канал (рис. ). Смещение заряда регистрируется в виде воротного тока, который непосредственно предшествует входу Na  в начале возбуждения. Пора открывается только на короткое время, поскольку через 1 мс наступает инактивация. Однако, пока не ясно, обеспечивается ли механизм инактивации теми же “воротами” или пору закрывает особая “инактивационная пробка”.

Аналогичным образом можно охарактеризовать и K⁺-каналы, однако последние лишены инактивационного механизма.

Второй вариант ионных каналов - рецепторуправляемые каналы - в этом случае ворота каналов управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны; при взаимодействии медиатора (лиганда) с этим рецептором может происходить открытие ионных каналов. В некоторых рецепторуправляемых между рецептором и воротным механизмом имеется промежуточная стадия (посредник типа цАМФ, протеинкиназы и т.п.).

Наконец, открытие ворот канала может происходить в результате действия на мембрану других ионов - ионоуправляемы канал (название по иону).

По современным представлением в канае находится не один, а два воротных механизма. В частности на входе Na⁺-канала, т.е. снаружи мембраны, распложены активационные ворота, обозначаемые m-активационные ворота, а на выходе, т.е. на внутренней стороне мембраны h-инактивационные ворота. Полагают, что в состоянии покоя m-активационные ворота закрыты, h-ворота открыты. Таким образом, сам канал в состоянии покоя закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na⁺ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Эта инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времеи действия деполяризующего стимула.

Кальциевые каналы плазматической мембраны подразделяются на рецептоуправляемые и потенциалуправляемые. Это деление ус­ловно, поскольку для многих потенциалуправляемых каналов пока­зана прямая регуляция рецепторов. В свою очередь, есть косвенные данные, свидетельствующие, что активность рецепторуправля­емых каналов также может зависеть от мембранного потенциала. В пределах каждой из этих групп существует большое разнообразие специализированных типов Са²⁺-каналов. Потенциалуправляемые ка­налы изучены лучше, чем рецепторуправляемые. для некоторых из них определена структура и расположение пептидных цепей в мем­бране, найдены высокоселективные блокаторы. Сейчас выявлены четыре типа этих каналов: L, N, T и P. Исследование рецепторуп­равляемых каналов только начинается. В основу их классификации положены механизмы активации: непосредственно через ГТФ-связы­вающий белок или через вторичный посредник.

Высвобождение внутриклеточного Са²⁺ также происходит в ре­зультате открывания каналов. В ретикулуме и других цитоплазма­тических структурах найдены каналы, открываемые под действием инозитол-1,4,5-трифосфата, рианодина, кофеина и Са²⁺.

Калиевые каналы принято классифицировать по механизмам их активации: существуют семейства потенциалзависимых К⁺-каналов, Са²⁺-активируемых К⁺-каналов, рецепторуправляемых К⁺-каналов и К⁺-каналов, обозначаемых как "другие", ибо они не могут быть включены ни в один из трех названных типов.

Потенциалзависимые К⁺-каналы представлены по крайней мере 5 разными структурами с проводимостью от 1 до 150 pS (S-Cименс - единица элетропроводимости) и расположенными как в плазмати­ческой мембране, так и в саркоплазматическом ретикулуме. Общим свойством этих каналов является чувствительность к ингибирующе­му действию тетраэтиламмония, 4-аминопиридина и Сs , хотя эф­фективность действия этих ингибиторов на разные подтипы каналов существенно различна. Эти каналы активируются при деполяризации и осуществяют реполяризацию мембраны во время потенциала дейст­вия. Скорость их инактивации низка от 100 мс до нескольких се­кунд.

Са²⁺-активируемые К⁺-каналы имеют проводимость от 10 pS (каналы низкой проводимости) до 250 pS (каналы высокой прово­димости). Вероятность их открывания возрастает как при увеличении концентрации Са²⁺ в цитоплазме - [Ca²⁺]_цит от 10^-7 до 10^-5 М, так и при деполяризации мембраны при постоянной [Ca²⁺]_цит. Эти каналы обычно блокируются ионами Ва²⁺ и хинином, иногда также ан­тагонистами кальмодулина: кальмидазолиумом, трифторперазином, галоперидолом.

Рецепторуправляемые К⁺-каналы могут как активироваться агонистами (например, бета-аганистоми, соматостатином, агонис­тами мускариновых и аденозиновых рецепторов), так и ингибиро­ваться агонистами (например, через мускариновые, брадикинино­вые, серотониновые рецепторы, а также через рецепторы ГАМКв, альфа -адренергические, опиоидные и гонадолиберина). Во всех этих случаях в регуляции каналов участвую G-белки.

К К⁺-каналам, не входящим в рассмотренную выше, относятся АТФ-чувствительные каналы (20-200 pS, внутриклеточный АТФ ингибирует, а низкое соотношение концентраций АТФ/АДФ открывает каналы, активность их зависит также от градиента рН снаружи и внутри клетки, очень слабо - от мембранного потенциала), Na⁺-­активируемые К⁺-каналы (220 pS, выход К⁺ возрастает при повыше­нии концентрации Na⁺ выше 20 мМ, нечувствительны к потенциалу, АТФ и Са²⁺), К⁺-каналы, чувствительные к изменению объема клет­ки (16-40 pS, открываются при набухании клетки вследствие вы­сокого онкотического и осмотического давления), АТФ- и Са²⁺-за­висимые К⁺-каналы (5-20 рS, нечувствительны к мембранному по­тенциалу, обнаружены только в гладкомышечных клетках).

Na⁺-каналы имеют столь же большое многообразие форм, что и К⁺-каналы. Общим их свойством является чувствительность к инги­бирующему действию тетродотоксина.

I-тип Na⁺-канала широко распространен в нейронах ЦНС (в основном в теле нейрона, а не в его отростках) и в сердце, блокируется сакситоксином.

II-тип Na⁺-канала с проводимостью 20 pS открывается при деполяризации мембраны (V -40 мВ) и закрывается при реполяри­зации (V - 65 мВ), расположен в аксонах и участвует в проведении потенциала действия.

III-тип Na⁺-канала с проводимостью 16 pS функционирует в эндотелиальных и неонатальных нейронах ЦНС, открывается (V ­10 мВ) и закрывается (V - 40 мВ) при изменениях мембранного потенциала.

В скелетных мышцах взрослых животных, в сердце и эмбрио­нальных скелетных мышцах выявлен еще один тип Na⁺-каналов, ко­торый при денервации замещается на -тип Na⁺-канала (называе­мый также тетродотоксиннечувствительный тип, т.к. он имеет в сто раз меньше сродство к теродотоксину, чем все другие типы Na⁺-каналов).

На основании электрофизиологических и фармакологических исследований предполагается существование также и других Na⁺ ­каналов, не перечисленных выше.

Число натриевых насосов и натриевых каналов в мембране ма­ло. Так в обонятельном нерве саргана содержится лишь 300 на­сосных мест на 1 мкм мембраны, а в мембране блуждающего нерва кролика соотвественно 750 насосных мест на 1 мкм . Положение с натриевыми каналами еще более крайнее: в нерве саргана их со­держится всего 6 на 1 мкм .

Подобно этому в нервах кролика и саргана находится также малое количество насосных мест, хотя их в 30-50 раз больше, чем натриевых каналов.

В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых - открыто.

Поры. Кроме того, в мембране находятся неспецифические ка­налы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для К⁺, Na⁺ и Cl^- (больше всего для К⁺ ). Эти каналы (или поры) не имеют во­ротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Подводя итоги, следует отметить внутриклеточная и внекле­точная среды отличаются по ионному составу. Эти различия обес­пециваются процессами постоянного транспорта веществ через мембрану. Благодаря существованию олдновременно нескольких ме­ханизмов транспорта его скорость может меняться в результате изменения их состояния и соотношения между ними под влиянием внешних факторов. Наличие динамического равновесия между пос­тоянными ионнными потоками определяет заряд мембраны живой клетки. При гибели же клетки, когда активный транспорт, выклю­чается происходит постепенное выравнивание состава внутрикле­точной и внеклеточной среды.

МЕМБРАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ

Мембранный потенциал характеризует разность потенциалов поверхностей мембраны в результате избирательного переноса ка­тионов и анионов. Различают потенциал покоя, местный потенци­ал и потенциал действия.

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ. Еще в 1838 году Маттеучи обнаружил, что мышца на поверхности заряжена положительно, а внутри отрица­тельно. Позже это явление было открыто у большинства клеток животных и растений. Такая поляризация электрических зарядов характерна и для поверхностей клеточных мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Эта разность по­тенциалов получила название мембранный потенциал покоя (потен­циал покоя).

Какова природа его возникновения и поддержания? Теорий, пытающихся ответить на этот вопрос, несколько. Рассмотрим одну из них, получившую наибольшее признание. Ключевые ее моменты сводятся к следующим положениям:

1. Неравномерное распределение концентраций ионов во вну­три- и внеклеточном пространствах. Самая большая разница су­ществует для ионов К⁺: 155 ммоль/л внутри мышечной клетки и только 4 ммоль/л снаружи. Для Na⁺ различие обратное: 12 ммоль/л внутри и 145 ммоль/л снаружи. Распределение Сl^- противоположно распределению К⁺: внутри мышечной клетки - 4 ммоль/л и 120 ммоль/л вне ее. В общем внутриклеточная концентрация К⁺ в нерв­ных и мышечных клетках в 20-100 раз выше, чем внеклеточная кон­центрация, а внутриклеточная концентрация Na⁺ в 5-15 раз ниже внеклеточной, тогда как внутриклеточная концентрация Cl^- в 20­100 раз ниже внеклеточной.

Известно, если в растворе находится какое-то количество катионов, то и анионов в нем должно быть столько же. Электро­нейтральность цитоплазмы клетки могла бы поддерживаться неор­ганическими анионами (HPOз^-, HPO^2-, NaHCО₃^-) крупными органи­ческими анионами (А -белки, аминокислоты и др.), накапливающи­мися в ней в процессе внутриклеточного обмена.

Однако подобная электроотрицательность по обе стороны клеточной мембраны не удерживается по следующей причине.

2. Различной проницаемостью мембраны для ионов. К⁺ и Cl^- проходят через нее легко, Na⁺ - c трудом, а органические ионы вообще не проходят.

Всякая несущая электрический заряд частица (ион или по­лярная молекула), находящаяся в растворе, окружается сольват­ной оболочкой. Если растворитель вода, оболочка будет назы­ваться гидратной, а процесс - гидратацией. Степень гидратации различных ионов и молекул неодинакова и зависит от размеров частиц и их зарядов. Чем выше удельная плотность заряда, тем сильнее гидратация. Поэтому ион калия, несмотря на большой ра­диус, имеющий больший (2,66 А^О ) кристаллический диаметр по сра­внению с ионом натрия (1,8 А^О ), в гидратированной форме меньше гидратированного иона натрия.

Таким образом, ионы К⁺ могут достаточно легко диффундиро­вать через мембрану. Поскольку с внутренней стороны мембраны ионов К⁺ гораздо больше, чем снаружи, то имеет место чистый вы­ход К⁺ из клетки, создаваемый более высокой внутриклеточной концентрацией или осмотичесчким давлением К⁺ . Этот выходящий поток К⁺ должен был бы вскоре выравнять осмотическое давление (или концентрацию) этого иона, если бы ему не противодейство­вала эквивалентная противоположно направленная сила.

Эта сила, действующая в противоположном направлении, обус­ловлена электрическим зарядом ионов К⁺ . Вышедшие из клетки ионы К⁺ создают на наружной поверхности мембраны избыток положитель­но заряженных частиц. На внутренней же поверхности возникает избыток крупных молекул органических анионов, оставшихся без нейтрализующих калий-положительных ионов. Благодаря электрос­татическим силам вышедшие катионы К не могут далеко удалиться от наружной поверхности мембраны (положительно заряженные час­тицы, находящиеся вне клетки, прижимают их к мембране, а ско­пившиеся на внутренней поверхности отрицательно заряженные частицы стремятся "втащить" их обратно во внутрь клетки). Одна­ко высокий концентрационный градиент для калия препятствует этому. Мембранный потенциал продолжает нарастать до тех пор, пока сила, препятствующая выходу К⁺ , не станет равной осмоти­ческому далению ионов К⁺ . При таком уровне потенциала вход и выход К⁺ находятся в равновесии, поэтому он называется калиевым равновестным потенциалом, сокращенно Ек.

Таким образом, калиевый равновесный потенциал определяет­ся отношением концентраций К⁺ внутр./К⁺ внеш. средой клетки, а также тем, что диффузия через мембрану ограничивается только ионами К⁺. Такие диффузионные потенциалы в общем описываются уравнением Нернста.

R _* T [K⁺ ] нар.

Е иона = _* ln , где

Z _* F [K⁺ ] внутр.

R - универсальная газовая постоянная, т.е. кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре T = 1K (Кельвин) - 8,314 Дж/(моль_*К);

T - абсолютная температура - С + 273 ;

Z - валентность иона (отрицательная для анионов);

F - постоянная Фарадея - 96484,56 Кл/моль;

ln - логарифм натуральный;

lg - логарифм десятичный - lg = 0,43429 lnN

Подставив значение постоянных, получим для К⁺ :

8,314 Дж/(моль_*К ) _* (37 + 273 ) [K⁺ ] нар.

Ек = _* 0,43429 _* lg ­

1 _* 96484,56 Кл/моль [K⁺ ] внутр.

Ек = -61 мВ _* lg (К⁺внутр./К⁺ нар.).

Поскольку К⁺ внутр./К⁺ нар. = 39, то

Ек = -61 мВ _* lg 39 = 61 мВ _* 1,59 = - 97 мВ.

Экспериментальное измерение мембранного потенциала дает величину, равную - 90 мВ, т.е. потенциал покоя близок к рас­четному калиевому равновесному потенциалу, но не равен ему, т. к. в его формировании помимо диффузии К⁺ принимают участие и другие механизмы.

Потенциал покоя зависит от:

1. Внеклеточной концентрации К⁺. При снижении концентрации К⁺ во внеклеточной среды до 1 мМ потенциал покоя возрастает до -120 мВ, а когда К⁺ внеш. повышается до 50 мВ, потенциал покоя падает до -25 мВ.

2. Катионов Na⁺ , по градиенту концентрации поступающего в клетку. Но положительный заряд потока натрия значительно мень­ше противоположного потока ионов калия.

3. Ионов Cl^- . В нервных клетках проницаемость для Cl^- обыч­но гораздо ниже, чем для К⁺, однако в мышечных волокнах прони­цаемость для Cl^- преобладает. Распределение Cl^- по обе стороны мембраны противоположно распределению К⁺ . Равновесный потенци­ал, расчитанный по уравнению Нерста для такого обратного расп­ределения Cl^- , равен потенциалу для распределения К⁺ . Как пра­вило, хлорный равновесный потенциал приблизительно равен по­тенциалу покоя. Некоторое количество анионов хлора, захватыва­емых натрием и поступающих с органическими анионами, также участвует в образовании слоя отрицательных зарядов на внутрен­ней поверхности мембраны, а оставшиеся в избытке катионы нат­рия и калия - слоя положительных зарядов на наружной поверх­ности мембраны.

4. Работы натриевого насоса. Наличие непрерывного пассив­ного входа Na⁺ и выхода К⁺ в условиях покоя приводит к тому, что клетка постоянно теряет К⁺ и набирает Na⁺, так что внутри­клеточные концентрации этих ионов должны соотвествеено падать и возрастать. При снижении мембранного потенциала внутрикле­точная концентрация Cl^-, а значит и общая концентрация анионов уменьшается. Связанное с этим повышение осмотического давления вызывает поступление воды, и клетка начинает набухать. Погло­щение воды приводит к дальнейшему уменьшению внутриклеточной концентрации К , и потенциал покоя продолжает падать. Этот по­рочный круг действует до тех пор, пока деятельность клетки не прекратится благодаря ее набуханию и прогрессирующему выравни­ванию концентраций ионов по обе стороны мембраны.

В живой клетке этого однако не происходит благодаря ак­тивному транспорту указанных ионов против градиента концентра­ции К⁺- Na⁺-насосом.

Следует обратить особое внимание на замечательный факт возникновения и поддержания потенциала покоя как активного са­морегулирующегося процесса. Вот почему потенциал покоя специ­фичен для различных тканей и колеблется, например, в клетках скелетных мышц в пределах 80-90 мВ, а эпителиальной ткани -20 -30 мВ.

Потенциал покоя в одной и той же ткани претерпевает изме­нения в зависимости от возраста, состояния обмена веществ и т. д., а также определяется особенностями проницаемости клеточной мембраны, измененением концентрации ионов внутри и вне клетки.

Функция мембранного потенциала покоя. В самой мембране потенциал покоя проявляется как электрическое поле значитель­ной напряженности (10 В/см). Это воздействует на макромолеклы мембраны и придает их заряженным группам определенную прост­ранственную ориентацию.

Особенно важно, что электрическое поле мембранного потен­циала покоя обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот. Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.

Наряду с мембранной теорией существуют и другие взгляды, объясняющие формирование потенциала покоя.

Теория редокспотенциалов - объясняет возникновение элект­родвижущих сил (электрических потенциалов) в клетке, рассмат­риваемой в качестве редок-системы (окислительно-восстанови­тельная система), разным уровнем окислительно-восстановительных процессов. Согласно этой теории, источником возникновения по­тенциалов на поверхности биологических мембран (потенциала по­коя) являются высвобождающиеся при окислительно-восстанови­тельных процессах электроны. Вследствие повышения интенсивнос­ти обмена веществ, под влиянием раздражений окислительные процессы усиливаются и потенциал покоя может перейти в местный потенциал действия. Главной отличительной особенностью данной теории является то, что она ставит возникновение элетрических потенциалов в зависимость от состояния метаболических процес­сов в клетке, а не только от обмена веществ мембраны, обеспе­чивающей активный транспорт.

Теория протонно-химических процессов считает возникнове­ние мембранного потенциала результатом переноса положительно заряженных частиц - протонов.

ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ - ткани, способные в ответ на действие раздражителя переходить из состояния физиологического покоя в состояние возбуждения. Все живые клетки обладают возбуди­мостью, но в физиологии к "возбудимым тканям" принято относить преимущественно нервную, мышечную и железистую ткани, которые способны в ответ на действие раздражителя генерировать специа­лизированные формы колебаний электрического потенциала.

Для нервной и мышечной ткани характерно, что возбуждение, возникающее в одном участке мышечного или нервного волокна, быстро передается с одной клетки на другую или с нервного во­локна на иннервируемый им орган.

ПРОВОДИМОСТЬ (coductio) - способность живой ткани прово­дить возбуждение.

Поскольку нервные волокна входят в контакт со всеми тканями организма, то распространяясь, нервное возбуждение способно изменять деятельность любой ткани или органа.

ЗАКОН “ВСЕ ИЛИ НИЧЕГО” - свойство ткани при постояннных условиях среды отвечать на действие раздражителя пороговой силы максимальным эффектом.

Подпороговые раздражения не вызывают ответа - “ничего”, а пороговые и надпороговые стимулы или суммация (сложение) подпороговых воздействий создают условия для формирования максимального ответа - “все”.

Относительность закона “все или ничего” связана с тем, что в одиночном нервном или мышечном волокне раздражение вызывает нераспространяющееся местное возбуждение, а уровень “все” изменяется в зависимости от внешних причин и условий - температуры, функционального состояния ткани и т.п.

Действие закона “все или ничего” сомнительно в случаях отсутствия аналогичных процессу реактивности возбудимых тканей ответных реакций на внешние воздействия, например, при действии радиации.

Закон характерен для одиночной структуры (клетки) и применим только к развитию специфической реакции клетки (генерация потенциала действия, сокращение мышцы, секреция).

Закон “все или ничего” описан для сердечной мышцы, где все клетки соединены между собой. В скелетной мышце клетки изолированы друг от друга, поэтому она в целом не следует этому правилу и ее сокращение зависит от силы раздражения, включающего большее или меньшее число клеток.

Для раздражения нерва, мышцы, железы можно пользо­ваться различными агентами: механическими (уколы, удары, пере­вязки), термическими (нагревание), химическими (действие кис­лот, щелочей и солей). Однако из всех видов раздражения наи­большее применение в экспериментальных исследованиях получило раздражение электрическим током (замыкание или размыкание пос­тоянного тока, индукционные удары и конденсаторные разряды).

Основные преимущества электрического тока перед другими раздражителями сводятся к следующему:

1) действует почти мгновенно,

2) позволяет точно градуировать силу воздействия,

3) позволяет точно градуировать длительность воздействия,

4) позволяет точно градуировать форму протекания раздражающего воздействия,

5) электрический ток умеренной силы при кратковременном действии на ткань н вызывает в ней необратимых измене­ний.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ МЕМБРАНЫ С ПОМОЩЬЮ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ. Для прямого измерения мембранного потенциала используют два электрода - один внутри клетки, а другой снаружи. Внутрен­ность клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной среде. Для определения величины мембранного потенциала услови­лись из внутреннего потенциала вычитать наружный. Мембранный потенциал (Vm) обычно близок к -60 мВ. Потенциалы покоя раз­личный нейронов находятся в интервале от -40 до -70 мВ; мышеч­ные клетки имеют потенциал покоя около -90 мВ.

Чтобы изменять мембранный потенциал желаемым образом, внутрь клетки помещают еще один (второй) микроэлектрод. С по­мощью стимулятора, или генератора тока, между этим и наружным электродом пропускают ток. Ток течет от плюса к минусу; поэто­му, если на внутренний электрод подать положительный потенци­ал, а на внеклеточный - отрицательный, то можно заставить ток выходить через мембрану наружу - выходящий ток. В результате мембрана будет деполяризоваться (поляризация мембраны будет уменьшаться за счет того, что внутренность клетки будет стано­виться менее отрицательной поотношению к наружной среде). Если же на внутриклеточный электрод подать отрицательный потенциал, а на внеклеточный - положительный, то можно заставить ток вхо­дить внутрь - входящий ток; при этом мембрана будет гиперполя­ризоваться (поляризация мембраны будет увеличиваться, так как внутренность клетки будет становиться более отрицательной по отношению к наружной среде).

При пропускании тока через мембрану сдвиги ее потенциала могут 1) не сопровождаться изменением ионной проводимости мем­браны, т.е. последняя ведет себя пассивно, но 2) ионнная прово­димость мембраны может существенно меняться при пропускании через нее тока.

ПРПУСКАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ, НЕ СОПРОВОЖДАЮЩЕЕСЯ ИЗМЕНЕНИЕМ ЕЕ ИОНННОЙ ПРОВОДИМОСТИ, имеет место при использовании токов очень малой (подпороговой) величины или при блокаде ионных каналов химическими агентами.

В случае сферической клетки, в которой расстояние от вну­триклеточного электрода до клеточной мембраны одинаково во всех ее точках, а значит и ток распределяется равномерно. При вклю­чении выходящего постоянного тока положительные заряды, входя­щие в клетку через внутриклеточный электрод, постепенно разря­жают мембранную емкость и таким образом деполяризуют мембрану. Однако очень скоро депояляризации замедляется, поскольку при смещении мембранного потенциала от уровня потенциала покоя на­рушается равновесие ионных токов и во время деполяризации больше ионов К выходит из клетки. Этот (противоположный) поток положительный ионов через мембрану удаляет какую-то долю заря­да, внесенного электрическим током, и разряд мембранной емкос­ти замедляется. В конце концов деполяризация при постепенном уменьшении ее скорости достигает конечного уровня, при котором ионный поток через мембрану равен (уравновешивает) электричес­кому току, приложенному с помощью электрода, и тогда дальней­ший разряд мембранной емкости прекращается.

Аналогичные изменения наблюдаются и при входящем гиперпо­ляризующем токе.

Величина изменения мембранного потенциала зависит от ве­личины тока. Сам же процесс изменения заряда мембраны осущест­вляется в течение ограниченного времени на начальных этапах действия тока.

В конце прошлого века Б.Ф.Вериго обнаружил, что немедленно вслед за включением тока воздудимость под катодом начинает падать. Это явление получило название “приспособления ткани к току” или аккомодации.

Сдвиг потенциала, вызываемого толчком тока, называется ЭЛЕКТРОТОНИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИАЛОМ или ЭЛЕТРОТОНОМ. Конечный уро­вень или амплитуда электротонического потенциала пропорционален сопротивлению мембраны (величина, обратная проводимости мемб­раны) ионным токам. Скорость нарастания элетротонического по­тенциала в самом начале определяется только емкостью мембраны; в это время протекает только емкостный ток.

Однако почти все нервные и мышечные клетки имеют вытяну­тую форму, т.е. большую длину, по сравнению с их диаметром. В них слабый толчок входящего в клетку (гиперполяризующего) тока вызывает небольшую гиперполяризацию, которая плавно уменьшает­ся с расстоянием (вдоль аксона или дендритов нервной клетки, или вдоль мышечной клетки) на протяжении нескольких миллимет­ров. Аналогично этому слабый толчок выходящего (деполяризующе­го) тока вызывает небольшую деполяризацию, которая уменьается с расстоянием. При этом временной ход (скорость развития) эле­ктротонического потенциала с увеличением расстояния замедляет­ся поскольку сначала мембранный конденсатор разряжается в не­большом участке около источника тока, и только после этого ток начинает проходить внутрь клетки, которая имеет значительное продольное сопротивление к более удаленным участкам мембраны. Здесь мембранный конденсатор снова должен разрядиться прежде, чем начнет протекать ток. Кроме того около точки введения то­кового электрода протекает более значительный ток, чем на расстоянии, поскольку в более удаленных точках ток долже пре­одолеть не только сопротивление мембраны, но также продольное сопротивление внутренней среды клетки. Emax экспоненциально падает с расстоянием Х, причем экспоненциальный показатель ра­вен - Х/ . Величина  называется постоянной (константой) длины мембраны. Она для различных клеток колеблется от 0,1 до 5,0 мм. Постоянная длины является мерой расстояния, на кото­рое электротонические потенциалы могут распространяться в клет­ках вытянутой формы. Например, на расстоянии 4  амплитуда элетротонического потенциала составляет только 2% от его амп­литуды околоточки пропускания тока; следовательно электротони­ческие потенциалы можно зарегистрировать на расстоянии не бо­лее нескольких сантиметров.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ МЕМБРАНЫ С ПОМОЩЬЮ ВНЕКЛЕТОЧНЫХ ЭЛЕТРОДОВ.

Как правило, нервное волокно помещают на 2 металлических элект­рода, соединенных с источником напряжения. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный - катодом. Ток протека­ет от одного электрода к другому через тонкий слой жидкости, прилегающей к волокну, но поскольку внутренняя среда волокна также обладает относительно низким сопротивлением, ток у анода частично входит через мембрану, протекает через клетку к като­ду и там выходит через мембрану. Эти трансмембранные токи соп­ровождаются изменениями мембранного потенциала; у анода поло­жительные заряды, поступающие к наружной поверхности мембраны, увеличивают заряд мембранного конденсатора и, следовательно, увеличивает мембранный потенциал. Врезультате ионы К входят в клетку, перенося ток через мембрану. При этом мембрана у анода гиперполяризуется. Противоположный по направлению сдвиг, депо­ляризация, происходит у катода. Сдвиг потенциала максимален в участке наибольшей плотности тока, непосредственно под элетро­дами.

Обычно ток пропускают через нерв или мышцу с целью выз­вать деполяризацию и таким образом стимулировать клетку, тогда как гиперполяризация в обрасти анода нежелательна. В этом слу­чае лучше использовать анод с большой поверхностью или поме­щать его на расстоянии от нерва, чтобы плотность у анода была меньше и гиперполяризация клетки, хотя и на большей площади, имела бы низкую амплитуду. Электрод с малой поверхностью, у которого концентрируются силовые линии тока и поляризации, на­зывается дифферентным электродом, а электрод с большой поверх­ностью, имеющий противоположную полярность, называется индиф­ферентным.

ЛОКАЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ. При сравнении действия гипер- и деполя­ризующих толчков тока одинаковой амплитуды выявляются сущест­венные отличия. Гиперполяризующие толчки при возрастании амп­литуды вызывают пропорциональные по амплитуде электротонические потенциалы. При деполяризующих токах только при небольшой величине амплитуды возникающие потенциалы являются зеркальным отражением потенциалов при соотвествующих гиперполяризующих токах. При приближении амплитуды к пороговой величине потенциа­лы нарастают быстрее и достигают большей амплитуды, чем соот­вествующие гиперполяризующие потенциалы. Добавочная (по срав­нению с гиперполяризацией) деполяризация называется локальным ответом обусловлена повышением Na⁺-проводимости. Во время ло­кальных ответов вход Na⁺ может существенно превосходить выход К⁺, однако Na⁺-ток еще не так велик, чтобы деполяризация мемб­раны стала достаточно быстрой для возбуждения соседних участ­ков или генерации потенциала действия. Возбуждение развивается не полностью, т.е. остается локальным процессом и не распрост­раняется. Локальный ответ такого типа может конечно при не­больших дополнительных стимулах, например синаптических потен­циалах, легко переходить в полноценное возбуждение.

Первые признаки локального ответа появляются при действии стимулов, составляющих 50-70% от пороговой величины. По мере дальнейшего усиления раздражающего тока локальный ответ увели­чивается, и в момент, когда деполяризация мембраны, обуслов­ленная суммой катэлетрического потенциала и локального ответа, достигает критического уровня, возникает потенциал действия.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ. Когда нервные и мышечные клетки "ак­тивны", возникает быстрый сдвиг мембранного потенциала в поло­жительном направлении - потенциал действия.

Потенциал действия начинается очень быстрым сдвигом в положительном направлении - фазой нарастания, которая продол­жается лишь 0,2-0,5 мс. Во время фазы нарастания клеточная мембрана теряет свой нормальный заряд, или поляризацию"; поэ­тому фазу нарастания называют также фазой деполяризации. Как правило, деполяризация переходит за нулевую линию и мембранный потенциал становится положительным. Эта положительная фаза по­тенциала действия называется овершут.

Фаза, следующая за пиком, в течение которой восстанавли­вается исходный потенциал мембраны в покое, называется реполя­ризацией.

Следовые потенциалы. Последний участок фазы реполяризации для некоторых видов потенциала действия бывает замедлен. Так, например, в мышце примерно через 1 мс после начала потенциала действия наблюдается отчетливый перегиб кривой реполяризации; следующее за ним медленное изменение потенциала называется де­поляризационным следовым потенциалом. В других тканях, напри­мер в нейронах спинного мозга, кривая деполяризации быстро пе­ресекает уровень потенциала покоя, так что на некоторое время потенциал становится более отрицательным, чем потенциал покоя. Это явление называется гиперполяризационным следовым потенциа­лом.

Потенциал действия имеет стандартные амплитуду и временные параметры, не зависящие от силы стимула, вызвавшего данные потенциал действия (правило “все или ничего”.

МЕМБРАННАЯ ТЕОРИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ.

Потенциал действия всегда возникает при первичной деполя­ризации мембраны до -50 мВ. Этот уровень (величина) деполяризации мембраны, при которой возникает потенциал действия, получил название - критический уровень деполяризации - КУД. Он не зависит от характера применного стимула, расстояния между электродами и т.п., а определяется исключительно свойствами мембраны. Пороговая сила тока (пороговый ток) или порог раздражения (относится и к другим видам раздражителя) - минимальная сила тока (или другого раздражителя), необходимая и достаточная для инициации потенциала действия. Результатом первчной или критической деполяризации мембраны является открытие потенциалозависимых натриевых и ка­лиевых каналов, что в свою очередь приводит к пассивному дви­жению соотвествующих ионов по их электрохимическим градиентам.

Вход ионов Na⁺ в клетку обеспечивает восходящую фазу пика потенциала действия, т.е. деполяризацию и инверсию потенциала на мембране, а несколько запаздывающий выход ионов К⁺ участву­ет в создании нисходящей фазы пика - реполяризации.

Деполяризация мембраны, вызванная раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает ворота натриевых ка­налов 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" (т.е. самообновляющаяся) деполяризация мембраны, в результате кото­рой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

Причиной прекращения роста мембранного потенциала дейс­твия и реполяризации является:

а) увеличение деполяризации мембраны, т.е. когда Ем --> Е 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 мембранного потенциала действия прекращается. Когда сум­марный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяри­зация мембраны, которая ведет к закрытию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов.

Фаза реполяризации в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток) может замедляться, формируя плато потенциала действия, обусловленное сложными из­менениями во времени входящих и выходящих токов через мембрану.

Следовая гиперполяризация имеет двоякую природу: ионную и метаболическую. Первая связана с тем, что калиевая проницае­мость остается некоторое время (десятки и даже сотни миллисе­кунд) повышенной после генерации потенциала действия и смещает мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенци­ала. Однако следовая гиперполяризация преимущественно связана с активацией электрогенного натриевого насоса, вследсвие на­копления ионов натрия в клетке.

Причиной деполяризации, развивающейся после генерации по­тенциала действия, является накопление ионов калия у наружной поверхности мембраны.

С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство, называемое рефрактерностью. Во время абсолютного рефрактерного периода клетка полностью утрачивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы.

Относительная рефрактер­ность, следующая за абсолютной, характеризуется более высоким порогом более высоким порогом возникновения потенциала дейс­твия.

Наряду с мембранной теорией высказываются и ДРУГИЕ ВЗГЛЯДЫ на формирование потенциала действие.

Так показано, что ПРОСТАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ мембраны может изменить ее элетрофизиологические свойства. Высказывается предположение о возникновении потенциала действия на базе ПЬЕЗОЭЛЕТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.

Суммируя приведенные выше данные о формировании мембран­ных потенциалов можно сформулировать следующие принципиальные положения:

1. Электрический ток постоянной силы действует раздражающим образом на возбудимые структуры (нерв или мышцу) только в моменты замыкани или размыкания.

2. Такое же действие оказывает быстрое усиление или ослаб­ление тока.

3. Раздражение обеспечивается только деполяризующим внешним током, т.е. внешним током выходящего направления. Именно такой ток деполяризует мембрану - снижает мембранный потенциал.

На этих выводах основаны ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗДРАЖЕНИЯ ВОЗБУДИМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (нервных и мышечных).

ЗАКОН ПОЛЯРНОСТИ РАЗДРАЖЕНИЯ. Полярный закон сформулирован Пфлюгером (1859) для действия постоянного тока. Согласно этому закону:

- в момент замыкания раздражающего тока (или возрастания его силы) возбуждение возникает в области отрицательного полю­са (катода),

- в момент же размыкания тока (или его ослабления) воз­буждение создается в области положительного полюса (анода),

- при одно и той же силе раздражающее действие замыкания выражено сильнее, чем действие размыкания.

В случае приложения к объекту двух внешних раздражающх электродов полярный закон гласит: "При включение тока раздра­жение возникает в области катода (здесь ток имеет выходящее направление), а при выключении в области анода".

Для внутриклеточного раздражения при включении тока необ­ходимо, чтобы внутриклеточный электрод имел положительный за­ряд.

ЗАКОН ЭЛЕТРОТОНА. Изменения величины мембранного потенци­ала, создаваемые пропусканием через данный участок мембраны электрического тока от внешнего (для данного участка мембраны) источника, приводят к изменению возбудимости.

Различают катэлектротон (Кэт), создаваемый выходящим то­ком и анэлетротон (Аэт), создаваемый входящим током.

При действии катода, т.е. выходящего тока, проимсходит разрядка мембранной емкости при этом возбудимость и проводи­мость оказываются повышенными, тогда как в области анода, т.е. в месте входящего тока, происходит дозарядка мембранной емкос­ти до некоторого более высокого потенциала, приводящая к паде­нию возбудимости и проводимости.

ЗАКОН "ПОРОГА" (или закон силы раздражения). Для возбуди­мых элементов существует минимальная сила раздражителя, необ­ходимая для минимального по величине возбуждения, получившая название "порог возбуждения". Величина порога является мерой возбудимости ткани.

ЗАКОН "КРУТИЗНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ" (или закон градиента" - для раздражения деполяризующий ток должен нарастать достаточно кру­то. В условиях, когда деполяризующий ток дается не прямоуголь­ным толчком, а усиливается от нуля постепенно, потенциал дейс­твия может вообще не возникнуть, если при этом критический уровень деполяризации - КУД (порог) смещается в позитивную (по­ложительную) сторону и изменяющийся в том же направлении мемб­ранный потенциал его "не догоняет".

0 ------------------ 0 0 ------------------------------ 0

КУД .................. КУД ..........

порог

МПП__________________ МПП______________________________

Позитивные смещения КУД при длительной деполяризации на­зывается аккомодацией - т.е. приспособлением ткани к току. Аккомодация объясняется частичной инактивацией натриевых кана­лов и активацией калиевых. Аккомодационную способность измеряют величиной критического наклона или критического градиента линейно нарастающего стимула (т.е. деполяризации).

ЗАКОН ДЛИТЕЛЬНОСТИ РАЗДРАЖЕНИЯ. Дюбуа-Реймон сформулировал закон раздражения, согласно котрому раздражающее действие тока зависит не от абсолютного значения силы или плотности тока, а от быстроты изменения тока во времени: чем быстрее это изменение, тем сильнее выражено раздражающее действие. Каждому напряжению тока соотвествует минимальная длительность его воздействия на ткань, необходимая для того, чтобы ток при данном напряжении мог вызвать возбуждение. Если при данном напряжении удлинять время прохождения тока через ткань сверх минимальной длительности, то никакого изменения в наступлении эффектка возбуждения не происходит, второй вспышки возбуждения не возникает.

Зависимость между силой и длительностью порогового разд­ражения представляет собой отрезок гиперболы, ветви которой асимптотичны к линиям, параллельным осям координат. Данная кривая свидетельствует, что даже очень сильные раздражители, но малой длительности, не способны вызывать возбуждение, равно как и слабые (допороговые) раздражители не эффективны при сколь угодно длительном воздействии на ткань. В области проме­жуточных значений пороговая сила раздражителя зависит от време­ни его действия на ткань.

То минимальное напряжение, которого едва достаточно, что­бы вызвать возбуждение при неограничено долгом действии посто­янного тока на ткань носит название "реобазы". Это порог разд­ражения для постоянного тока. Ток меньшего напряжения не вызывает возбуждения, как бы долго он не действовал на ткань. Реобаза обычно выражается в вольтах.

Минимальное время в течение которого ток при напряжении, равном реобазе, должен действовать наткань, чтобы вызвать воз­буждение, называется полезным временем реобазного тока или про­сто полезным временем.

Величина хронаксии находится в связи

1. со скоростью реакции вообще; чем быстрее реагирует ткань, тем короче ее хронаксия,

2. со скоростью распространения возбуждения; медленно проводящие нервные волокна имеют большую хронаксию.

Хронаксия характеризует скорость возникновения возбужде ния. Скорость же протекания всех процессов, обеспечивающих (ха­рактеризующих) возбуждение характеризуется функциональной ла­бильностью (подвижностью) или лабильностью возбудимых тканей. Это понятие ввел Н.Е.Введенский и она определяется максимальным числом отдельных волн возбуждения, которое живая ткань спо­собна воспроизводить в единицу времени в полном соотвествии с ритмом подаваемых на нее раздражений.

Величина лабильности и величина хронаксии, рассматриваемые с общебиологической стороны, оказываются связанными между собой, так как быстро протекающий процесс возбуждения характеризуется обычно и быстрым возникновением: наоборот, медленное протекание возбуждения сочетается обычно с длительным его возникновением. Поэтому измерение хронаксии нередко используется для характеристики лабильности тех или иных образований, причем малая величина хронаксии принимается за показатель высокой лабильности, а большая ее величина - за показатель низкой лабильности.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМОСТЬ обратно пропорциональна порогу электрического раздражения. Ее обычно измеряют на фоне покоя.

При возбуждении этот показатель изменяется. Изменение элек­тровозбудимости в ходе развития пика потенциала действия и пос­ле его завершения включает последовательно несколько фаз:

1. Абсолютная рефрактерность - т.е. полная невозбудимость, определяемая сначала полной занятостью "натриевого" механизма, а затем инактивацией натриевых каналов (это примерно соотвест­вует пику потенциала действия).

2. Относительная рефрактерность - т.е. сниженная возбудимость, связанная с частичной натриевой инактивацией и развитием калиевой активации. При этом порог повышен, а ответ [ПД] ­снижен.

3. Экзальтация - т.е. повышенная возбудимость - супернормальность, появляющаяся от следовой деполяризации.

4. Субнормальность - т.е. пониженная возбудимость, возникающая от следовой гиперполяризации. Амплитуды потенциала дей­ствия на фазе следовой негативности несколько снижены, а на фоне следовой позитивности - несколько повышены.

Наличие рефрактерных фаз обусловливает прерывистый (диск­ретный) характер нервной сигнализации, а ионный механизм по­тенциала действия обеспечивает стандартность потенциала действия (нерных импульсов). В этой ситуации изменения внешних сигналов кодируется лишь изменением частоты потенциала действия (частотный код) или изменением количества потенциалов действия.

ФИЗИОЛОГИЯ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ - НЕЙРОНА. Нервная система человека и животных состоит из нерных кле­ток, тесно связанных с глиальными клетками. Невные клетки на­зывают НЕЙРОНАМИ. Они чрезвычайно вариабельны по своему строению, и по существу нельзя в организме найти два совершенно оди­наковых нейрона.

По форме тела различают пирамидные, многоугольные, круг­лые и овальные клетки. В теле (соме, или перикарионе) нейрона находятся ядро и органеллы цитоплазмы.

Нервные клетки у позвоночных и высших беспозвоночных жи­вотных имеют характерные отростки, отходящие от тела. Принято выделять два типа отростков: дендриты и аксоны.

Дендрит(-ы) -dendritum; греч. dendron - дерево) - сильно ветвящиеся отростки нервной клетки, по которым нервные импуль­сы передаются к телу нейрона. Суммарная поверхность дендритов значительно превосходит поверхность тела нейрона. Им принадле­жит ведущая роль в восприятии информации.

Аксон (axon; греч. axon - ось) - удлиненный вырост цитоп­лазмы нейрона, окруженный клетками олигодендроглии он занимает центральное положение и поэтому называется осевым цилиндром. Все зрелые нейроны имеют один аксон. Он может ветвиться, обра­зуя коллатерали и терминали. Структурно и функционально аксон приспособлен для проведения возбуждения. Из аксонов формируют­ся нервные стволы и проводящие пути нервной системы. Скорость проведения возбуждения по аксону возрастает как с увеличением его диаметра, так и при образовании вокруг него миелиновой оболочки.

Конически расширенный участок аксона между телом нервной клетки и начальным сегментом аксона получил название аксонного холмика. Аксональный холмик является тригерной зоной нейрона, местом преобразованием возбуждающих (постсинаптических) потен­циалов в потенциалы действия.

Отростки могут отходить более или менее равномерно (ради­ально) от всей поверхности тела клетки, либо конентрировано от одного из полюсов. На основании количества отходящих от тела клетки отростков все нейроны подразделяются на униполярные (имеют один отросток, отходящий от сомы), биполярные (имеют два отростка) и мультиполярные (имеют более двух отростков).

Тела униполярных нейронов имеют овальную форму. От тела клетки отходит один крупный отросток, который на некотором расстоянии делится на два более тонких отростка: периферичес­кий и центральный.

От тела биполярной клетки отходят два отростка. Тот из них, который направляется на периферию принято считать дендритом, а центральный отросток - аксоном.

Мультиполярные нейроны наиболее вариабельны по форме и имеют по нескольку отростков. Общепринято считать, что один из них (наиболее длинный) - аксон (нейрит), который может начи­наться как от тела клетки, так и от проксимальной части одного из дендритов. Однако известно немало примеров клеток с несколь­кими аксонами.

С помощью аксонов и дендритов нейроны контактируют между собой и с другими клетками, например с мышечными. Эти контакты имеют особое строение и называются синапсами.

ГЛИАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ. К глиальным клеткам относятся олиго­дендроциты, астроциты, шванновские клетки, микроглиоциты и др. Они окружают нервные клетки и в некоторых местах тесно соприкасаются с ни­ми. Число глиальных клеток в нервной системе примерно на поря­док больше числа нейронов.

Особую роль глиальные клетки играют в формировании так называемых миелиновых оболочек аксонов. Миелиновые оболчки формируются у позвоночных в ЦНС за счет от­ростков олигодендроцитов, а на периферии - за счет так называ­емых шванновских клеток. Эти клетки окутывают аксоны многослой­ными миелиновыми "муфтами" так, что большая часть аксона ока­зывается покрытой ими, а открытыми остаются узкие участки между муфтами - перехваты Ранвье. Последние у таких волокон имеют особое функциональное значение.

При возбуждении нейроны принимают из межклеточной cреды Na⁺ (или Са²⁺) и отдают в нее К⁺, что может приводить при узости межклеточных щелей к изменению ионнного состава межклеточной Среды.

В поддержании концентрации К⁺ межклеточных щелей в допустимых пределах большую роль играют глиальные клетки (астроциты и др.). Не имея каналов, они, тем не менее, высоко проницаемы для К⁺. Они вбирают в себя избыток К⁺, а по необходимости выделяют его в среду. Аналогичным свойством обладают и шванновские клетки.

Астроциты связаны друг с другом проницаемыми для ионов контактами и составляют синцитий, по которому может распространяться принятый избыток К⁺. Это явление обозначают как эффект пространственного буфера.

Наряду с поддержанием ионного гомеостаза глиальные клетки принимают участие в изоляции нервных клеток.

Еще одна функция глиальных клеток - их участие в обмене медиаторов.

Микроглия представлена самыми мелкими многоотросчатыми клетками глии, относящимися к блуждающим клеткам. Источником микроглии служит мезодерма. Микроглиальные клетки способны к фагоцитозу.

Глиальные клетки обладают следующими свойствами:

- способны ритмически изменять свои размеры: период сокращения составляет 90 с, а расслабления 240 с. Ритм такой “пульсации” колеблется от 2 до 20 в час. “пульсаци” возрастает при электрической стимуляции (но латентный период достаточно большой - около 4 мин), под влиянием биологически активных веществ она либо усиливается (адреналин), либо наоборот уменьшается (серотонин);

- мембранный заряд формирует мембранный потенциал, отличающийся большой инертностью. Изменения мембранного потенциала медленны и обусловлены преимущественно изменениями химического состава межклеточной Среды. Мембранный потенциал нейроглии - 70-90 мВ;

- способны к передаче возбуждения с одной клетки на другую, распростраяющегося с декрементом. Передаче возбуждения способствуют щелевые контакты их мембран.

- возбуждение нейронов влияет и на электрические явления нейроглии, так как мебранный потенциал глиальных клеток зависит от концентрации К⁺ в окружающей среде. Во время реполяризации мембраны нейрона вход ионов К⁺ в нейрон увеличивается, что изменяет его концентрацию вокруг нейроглии и приводит к деполяризации ее клеточных мембран.

ФУНКЦИЯ НЕРВНЫХ КЛЕТОК. Функция нервных клеток состоит в передаче информации (сообщений, приказов или запретов) с по­мощью нервных импульсов.

Нервные импульсы распространяются по отросткам нейронов и передаются через синапсы (как правило, от аксональной термина­ли на сому или дентрит следующего нейрона). Возникновение и ра­спространение нервного импульса, а также его синаптическая пе­редача тесно связаны с электрическими явлениями на плазмати­ческой мембране нейрона.

Ранее мы уже отмечали многообразие существующих в природе раздражителей, из чего слекдует, что одним из ключевых меха­мизмов в деятельности нервной клетке является преобразование энергии раздражителя в электрический сигнал или потенциал действия. Для этого существуют специальные структуры - РЕЦЕПТО­РЫ - специализированные чувствительные образования, воспринима­ющие и преобразующие раздражения из внешней и внутренней среды организма в специфическую активность нервной системы. Это при­боры образованы терминалями дендритов чувствительных нейронов.

Рецепторные клетки отличаются от остальных по крайней мере в двух отношениях. Во-первых, энергия раздражителя служит для них лишь стимулом к запуску процессов, совершаемых за счет энергии, которая накоплена вследствие обменных реакций в самой клетке. Во-вторых, рецепторная клетка обладает на выходе элек­трической энергией, обязательно передаваемой другим клеткам, которые сами не способны воспринимать энергию данного внешнего воздействия.

КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЦЕПТОРОВ

По виду адекватных для них раздражителей рецепторы под­разделяются на механо-, фото-, термо- и хеморецепторы.

По качеству вызываемых раздражителем ощущений рецепторы классифицируют на слуховые, зрительные, обонятельные, вкусо­вые, тактильные, температурные и болевые.

По дальности расположения воспринимаемого стимула рецеп­торы являются дистантными (слух, зрение) и контактными (осяза­ние, обоняние, вкус).

По харатеру взаимодействия раздражителей всю совокупность рецепторов подразделяют на экстероцепторы, воспринимающие раз­дражение внешних агентов, и интерорецепторы, сигнализирующие о раздражителях внутренней среды. К первым относятся такие высо­коспециализированные образования, как рецепторы органов слуха, зрения, обоняния, вкуса и осязания; ко вторым - рецепторы вну­тренних органов. Одной из разновидностей интерорецепторов сле­дует считать проприорецепторы (рецепторы опорно-двигательного аппарата).

У экстерорецепторов в большей степени выражена так называемая специализация (модальность), под которой понимают высокую избирательность чувствительности к адекватному раздражителю (закон специфической неровной энергии Мюллера). Обладая чрезвы­чайно высокой чувстивительностью к адекватному раздражителю, экстерорецепторы, как правило, могут реагировать и на неадек­ватные стимулы, но лишь на очень интенсивные. Поэтому принято считать экстерорецепторы мономодальными рецепторыми приборами.

Среди интерорецепторов также есть мономодальные образования, например хеморецепторы каротидной зоны, предназначенные для химического анализа крови, направляемой к мозгу. Однако большинство интерорецепторов являются полимодальными, т.е. способными реагировать не на один, а на несколько разных по модальности раздражителей, например на температурные, химичес­кие и механические. Разница же в порогах восприятия адекватных и неадекватных раздражителей у полимодальных рецепторов не столь ярко выражена, как у мономодальных.

По месту приложения раздражителя раздражителя рецепторы являются первичночувствующими (тактильные, обонятельные, инте­рорецепторы) и вторичночувствующие (зрительные, слуховые, вес­тибуляторные, вкусовые). Первичночувствующие рецепторы транс­формируют энергию стимула в невную активность непосредственно в сенсорном нейроне, и по его аксону без промежуточных преоб­разований нервная активность передается к сенсорному ядру (первый сенсорный уровень). Вторичночувствующие рецепторы представляют собой высокоспециализированные эпителиальные клетки, к которым подходят нервные волокна (сенсорные волокна), образуя с клетками синаптические контакты. Нервная активность в нейроне возникает лишь после синаптического преобразования потенциала высокоспециализированных клеток (возникшего в высо­коспециализированной клетке), а не в самой неровной клетке.

Вторичночувствующие рецепторы всегда мономодальны (слух, зрение), первичночувствующие рецепторы (кожные) бывают мономо­дальными и бимодальными (тактильное чувство + боль, тактиль­ное + температурное чувство).

Специфической особенностью рецепторных зон мембран (ре­цепторных мембран) явялется включение в ее состав биологически активных веществ - пигментов, ферментов, ацетилхолина и др., с которыми и взаимодействует сепецифический стимул.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В РЕЦЕПТОРАХ - представляет собой сложный многоэтапный (каскадный) процесс, имеющий в своем раз­витии ряд существенных отличий в первично- и вторичночувствую­щих рецепторах.

ПЕРВИЧНОЧУВСТВУЮЩИЙ РЕЦЕПТОР. Весь процесс преобразования сигнала осуществляется в самой (одной) рецепторной клетке, в качестве которой выступает нервная клетка. При этом выделяют следующиее этапы:

I этап - специфическое взаимодействие раздражителя с мем­браной рецептора на молекулярном уровне, следст­вием которого является изменение проницаемости плазматической мембраны рецептора. Важно подчер­кнуть, что проницаемость изменяется лишь в той ее точке, где произошло взаимодействие стимула с рецептором.

II этап - возникновение рецепторного потенциала в месте взаимодействия стимула с рецептором. Вследствие изменения проницаемости мембраны рецептора в ос­новном для ионов Na⁺, в меньшей степени для K⁺, Ca²⁺, Cl^- создается локальный электрический по­тенциал (ответ). Это изменение мембранного потен­циала рецепторной клетки, возникающее под воздей­ствием раздражителя, называется рецепторным по­тенциалом.

III этап - электротоническое распространение рецепторного потенциала к аксону нейрона. Во время возникнове­ния рецепторного потенциала внутрь клетки входит положительный ток, создаваемый ионами Na⁺ и Ca²⁺. Для того чтобы цепь была замкнута, ток должен вы­ходить через мембрану наружу. Однако, так как вы­ход его через тот же участок, где находится вход, невозможен, ток пассивно распространяется вдоль волокна (клеточной мембраны) и выходит из послед­него в области наименьшего сопротивления. Рассто­яние, на которое распространяется этот ток по во­локну рецептора, определяется тремя факторами: сопротивление цитоплазмы, сопротивление клеточной мембраны и диаметр дендрита. Чем меньше сопротив­ление цитоплазмы и чем больше диаметр дендрита, тем легче и дальше ток распространяется через внутреннюю среду рецепторной клетки.

IV этап - Перекодирование (преобразование) электрического ответа рецептора (рецепторного потенциала) в им­пульсный разряд или потенциал действия. Потенци­алы действия, или нервные импульсы, появляются когда деполяризующее действие локальных ионных токов достигает критического уровня деполяризации в зоне, наиболее приспособленной к возникновению спайков. Чаще всего потенциал действия возникает у основания аксона (аксонный холмик), но возмож­но его появление и внутри тела клетки, и в нерв­ном волокне (в первом перехвате Ранвье аксона).

V этап - Проведение потенциала действия по аксону (нерв­ному волокну) в ортодромном направлении, т.е. центростремительном направлении. Возникнув, нер­вные импульсы пробегают в форме волны (потенци­ала действия) от одного конца нервного волокна (аксона) к другому. В состоянии покоя все части поверхности мембраны поляризованы в равной мере и по аксоплазме или по окружающему ее жидкому внеклеточному проводнику электрический ток не те­чет. Но изменивший полярность мембранный потенци­ал активной области (т.е. там, где возникает нер­вный импульс) создает градиент с уклоном по нап­равлению к участкам нерва, находящимся в покое, и тем самым создает ток. Ток заставляет потенциал этого участка мембраны смещаться в положительную сторону, начинается новый цикл активации.

Таким образом, импульс распространяется от одной точки к другой быстро и непрерывно. Потен­циалы действия проводятся по аксону в центростре­мительном направлении (т.е. ортодромно), но одно­временно элетротонически распространяется по те­лу клетки и ее дендритам антидромно.

ВТОРИЧНОЧУВСТВУЮЩИЙ РЕЦЕПТОР. Процесс преобразования осу­ществляется двумя клетками: рецепторной, т.е. высокоспециали­зированной эпителиальной клеткой, и нервной клеткой. При этом в мембране специализированной рецептирующей клетки отсутствуют электрогенные участки, поэтому место протекания специфических трансформационных явлений и область генерации нервных импуль­сов находятся в различных клетках. Взаимодействие между клетка­ми обеспецивается специальными структурами - синапсами.

I - III этапы совпадают с аналогичными этапами первично­чувствующих рецепторов, но протекают с специализированной ре­цептирующей клетке.

IV этап - электротонически распространяющийся рецепторный потенциал достигнув пресинаптической мембраны ре­цептирующей клетки вызывает выделение пресинапти­ческими структурами медиатора или посредника (на­пример, ацетилхолина).

V этап - медиатор реагирует с рецепторами мембраны контак­тирующего с рецепторной клеткой нервного оконча­ния (постсинаптической мембраны), вызывая возник­новение возбудительного постсинаптического потен­циала.

Таким образом, во вторичночувствующих рецепторах местные потенциалы образуются дважды в течение одного рецепторного ак­та: рецепторный потенциал рецептирующей клетки и возбудитель­ный постсинаптический потенциал нервного волокна. Для того, чтобы избежать терминологической путаницы, было предложено на­зывать градуальный электрический потенциал рецептирующей клет­ки РЕЦЕПТОРНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ, а постсинаптический потенциал свя­занного с нею через синапс нервного волокна - ГЕНЕРАТОРНЫМ ПО­ТЕНЦИАЛОМ, имея ввиду, что он генерирует в нервном волокне по­тенциалы действия.

VI этап - электротоническое распространение генераторного потенциала по нервному волокну.

VII этап - генерация потенциала действия элетрогенными уча­стками этого волокна.

VIII этап - проведение потенциала действия по нервному волокну в ортодромном направлении.

ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИЯ РЕЦЕПТОРНОГО ПОТЕНЦИАЛА И ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Рецепторный потенциал	Потенциал действия
Потенциал является градуальным ­и его амплитуда зависит от интенсивности стимула (для многих рецепторов эта зависимость логарифмическая, а для некоторых она носит S- образный характер)	Потенциал развивается по за кону "все или ничего"
Скорость развития - в потенциале можно выделит два компонента: быстрый (возникает в момент раздражения - on -ответ) и медленный (в период стационарного действия раздражителя). Соотношение между ними определяется адаптационными свойствами рецептора	Скорость развития высокая
Временные параметры потенциала определяются в основном временными параметрами стимула, т.е. этот потенциал существует в течение действия раздражителя	Длительность потенциала обуслов-ена прежде всего электрогенными и кабельными свойствами нервного волокна и не зависит от параметров стимула
Распространяется по нервному волокну пассивно элетротоническим путем	Распространяется по аксону активно, что обусловлено регенеративными механизмами, т.е. самоусилением натриевой проводимости
Распространяется с декрементом, т.е. амплитуда постепенно понижается с удалением импульса от места генерации	Проведение осуществляется бездек- рементным путем, т.е. амплитуда потенциала не изменяется при распространении на большое расстояние

По чувствительности к действию раздражителей нейроны делят на моно-, би- и полисенсорные.

Моносенсорные нейроны реагируют только на сигналы своей сенсорности. Так основная масса нейронов первичной зоны зрительной области коры большого мозга реагируют только на световое раздражение сетчатки глаза, нейроны слуховой зоны коры головного мозга - на раздражение рецепторов звуковоспринимающего аппарата.

Моносенсорные нейроны подразделяются функционально по их чувствительности к разным качествам одного раздражителя. Так отдельные из упоминавшихся выше нейронов слуховой зоны коры могут реагировать на какой-то один тон (например, 1000 гц) и не реагировать на тоны другой частоты. Это явление определяет их модальность. Они называются мономодальными, если реагируют на один тон, бимодальными - при реакции на два тона, но есть полимадальные (реагируют на три и более тонов).

Бисенсорные нейроны (часто расплагаются во вторичных зонах какого-либо анализатора и реагируют на сигналы своей и еще одной сенсорности. Например, нейроны вторичной зоны зрительной обрасти коры большого мозга реагируют на зрительные и слуховые раздражения.

Полисенсорные нейроны - чаще всего нейроны ассоциативных зон мозга, способны реагировать на раздражение слуховой, зрительной, кожной и друшгих рецептивных систем.

Спонтанная активность рецепторов (фоновая импульсация) - характерна для многих рецепторных структур. Она, по-видимому, связана с флуктуационными (колебательными) изменениями мембранного потенциала, спонтанно происходящими в рецепторных клетках, что находит свое отражение в колебаниях рецепторного потенциала и генерации потенциала действия при отсутствии стимуляции. Это имеет ряд существенных преимуществ:

- повышение чувствительности рецептора. Очень слабый стимул, который сам по себе не может вызвать деполяризацию, повышает частоту импульсных разрядов. Это означает, что не существует подпорогового стимула: любое малое его усиление меняет частоту разряда.

- возможность кодировать изменения в обоих направлениях, как в сторону усиления, так и в сторону ее уменьшения.

Существуют и нейроны без спонтанной активности (молчащие). Они обычно наиболее чувствительны: они имеют низкий порог и отражают максимальные возможности сенсорной системы.

Адаптация рецепторов - это снижение уровня их возбуждения под влиянием постоянно действующего раздражителя. Функциональное назначение рецепторов с различной степенью адаптации состоит в следующем:

1- тонические слабо адаптирующиеся рецепторы служат для сигнализации об истинных, абсолютных и мгновенных величинах стимулов;

2- фазные быстро и полностью адаптирующиеся рецепторы - для сигнализации об изменениях стимула на фоне “шума” - внешнего или биологического ((внутреннего “шума” - например, спонтанная активность нейрона);

3- промежуточный тип - фазно-тонические.

ПРОВЕДЕНИЕ СИГНАЛА ПО АКСОНУ НЕЙРОНА И НЕРВУ. Основной функцией аксонов является проведение импульсов, возникающих в нейроне. Аксоны могут быть покрыты миелиновой оболочной (миелиновые волокна) или лишены ее (безмиелиновые волокна). Они имеют свои особеноости проведения импульсов.

Прохождения тока схематически представляется в следующем виде.

В немиелинизированном волокне имеются некоторые особенности распространения электротонического потенциала и потенциала действия.

Распространение по нервному волокну электротонического потенциала. Поскольку в случае распространения электротонического потенциала и в одном из его участков изменения мембранного потенциала не достигает критического уровня деполяризации (КУД), то такое распространение аналогично передаче колебаний напряжения по проводам. По проводам ток течет от одного полюса источника напряжения к другому. Амплитуда колебаний напряжения падает с расстоянием. В том случае если ода полюса находятся по однк сторону мембраны ток течет вдоль волокна и распространяется с декрементом.

Распрострагнение потенциала действия. Потенциал действия возникает при достижении критического уровня деполяризации - КУД и связан с повышением ионной проницаемости мембраны. Движжения же ионов в каждой точке определяется градиентом их концентрации и работой специальных механизмов (Na⁺ -K⁺-насос), использующих накопленную клетокой энергию (АТФ).

При проведении потенциала действия полюсы источника напряжения в каждом участке мембраны находятся внутри и снаружи волокна и ток является чисто мембранным током, который протекает перпендикулярно направлению распространения потенциала действия.

В немиелинизированном волокне, в точке, находящейстя в активном состоянии, мембрана проницаема для Na⁺ и, следовательно, внутриклеточная часть волокна заряжена положительно. В точке же, находящейся в покое, мембрана проницаема для К⁺ и внутренняя часть волокна заряжена отрицательно. Электрический ток течет между покоящимся и активным участками нерва и понижает мембранный потенциал непосредственно перед активным участком. При этом снижается мембранный потенциал (уменьшается заряд, накопленный на мембране), что сопровождается повышением проницаемости для натрия, ионы которого заряжают положительно внутреннюю поверхность мембраны на новом участке волокна. Так волна перезарядки мембраны и повышения ее проницаемости для натрия распространяется вдоль нервного волокна. В немиелинизированном волокне распространение тока происходит непрерывно. Распространение этой волны обусловлено электрическим током, который генерируется при изменении проницаемости мембраны.

Одним из факторов, определяющих скрорость проведения потенциала является амплитуда входящего Na⁺-тока, поскольку, чем больше ток после возбуждающего разряда мембрагы, тем больше ток который потечет через соседние, еще не возбужденные участки, и деполяризация этих участков произойдет быстрее. На величину входящего Na⁺-тока влияет концентрация внеклеточного Na⁺, при снижении которой падает и скорость проведения потенциала действия. Скорость распространения возбуждения по волокну определяется также его диаметром, сопротивлением и емкостью мембраны. Поскольку сопротивление и емкость элементарного участка мембраны практически одинаково во всех возбудимых клетках, электротоническое распространение определяется главным образом диаметром волокна. Поверхность мембраны нервного волокна пропорциональна его диаметру, а поперечное сечение волокна возрастает пропорционально квадрату диаметра. Поэтому при увеличении диаметра волокна продольное сопротивление сопротивление его внутренней среды снижается относительно мембраны. В результате электротонические токи распространяются более широко (увеличивается постоянная длины ) и возрастает скорость проведения. Хотя с увеличением диаметра волокна емкость мембраны возрастает пропорционально ее площади (что ведет к уменьшению скорости проведения), преобладает эффект снижения продольного сопротивления. В конечном результате скорость проведения возрастает пропорционально корню квадратному от диаметра волокна. Кроме того, в безмиелиновых волокнах, где процессы метаболизма не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии на возбуждение, распространение этого возбуждения идет с постепенным ослаблением - с декрементом.

Прохождение импульсов в миелинизированном волокне происходит дискретно или сальтаторно (от лат. слова сальтаре - прыгать), т.е. импульс перескакивает от одного перехвата Ранвье к следующему. Активное генерирование тока локализует- ся в перехватах Ранвье, миелин же служит изолятором. В миелиновых волокнах возбуждение охватывает только участки узловых перехватов и минует зоны, покрытые миелином.

Исходная разность в концентрации Na⁺ и К⁺ по обе стороны мембраны (Na⁺ в 10-15 раз больше снаружи, а К⁺ в 50-70 раз больше внутри), необходимая для генерации потенциалов действия, восстанавливается активным транспортом ионов Na⁺/К⁺- насосом или помпой. Последний выкачивает наружу Na⁺, поступивший внутрь (в цитоплазму) во время возбуждения, в обмен на наружный К⁺, который во время возбуждения выходит наружу. Деятельность Na⁺/К⁺- насоса, роль которого выполняет встроенная в мембрану Na⁺, К⁺- зависимая АТФаза, обеспечивается энергией, возникающей при расщеплении АТФ.

В узловых перехватах количество натриевых каналов достигает 12000 на 1 мкм², что значительно больше, чем в любом другом участке волокна. В результате узловые перхваты являются наиболее возбудимыми и обеспечивают большую скорость проведения возбуждения. Время проведения возбуждения по миелиновому волокну обратно пропорционально длине между перехватами.

Важно отметить, что перехваты Ранвье особенно чувствительны к патогенным блокирующим агентам: кокаин, уретан. Ультрафиолетовые лучи, охлаждение и другие факторы действуют прежде всего на перехваты Ранвье.

Повреждение миелиновой оболчки приводит к замедлению проведения возбуждения и дальнейшему нарушению этого процесса вплоть до полного прекращения проводимости. Интерсно отметить, что существует минимальное расстояние, на котром повреждение волокна (кроме перерезки) существенно не отражается на функции нейрона. Это расстояние равно расстоянию между двумя соседними перехватами Ранвье - т.е. 1 мм. Таким образом, если невозбудимый участок меньше, то потенциал действия, хоть и ослабленный в результате кабельного (элетротонического) проведения, все еще сохранит на другом конце этого участка достаточную силу, чтобы вновь возбудить мембрану и продолжить путь дальше.

Проведение возбуждения по нервному волокну не нарушается в течение длительного (многочасового) времени. Это свидетельствует о малой утомляемости нервного волокна. Считается, что нервное волокно относительно неутомляемо вследствие того, что процессы ресинтеза энергии в нем идут с достаточно большой скоростью и успевают восстановить траты энергии, происходящие при прохождении здесь возбуждения.

В момент возбуждения энергия нервного волокна тратится на работу натрий- калиевого насоса. Особенно большие траты энергии происходят в перехватах Ранвье вследствие большой плотности здесь натрий-калиевых каналов.

По выраженности миелиновой оболочки выделяют три типа волокон: 1- волокна с толстой миелиновой оболчкой (группа А), 2- волокна с тонкой миелиновой оболчкой (группа В) и немиелинизированные волокна (группа С).

Дж. Эрлангер и Х.Гассер (1937) впервые классифицировали нервные волокна по скорости проведения возбуждения, соотнеся ее с диаметром последнего. При этом волокна типа А подраделили еще на 4 типа (табл. ).

Табл. №