Основы_физиологии_человека_2001_Агаджанян_НИ

15

Г ЛАВА 2

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Способность адаптироваться к постоянно изменяющимся ус­ ловиям внешней среды является одним из основных признаков живых систем. В основе приспособительных реакций организма лежит раздражимость — способность реагировать на действие различных факторов изменением структуры и функций. Раздра­ жимостью обладают все ткани животных и растительных орга­ низмов. В процессе эволюции происходила постепенная диф ф е­ ренциация тканей, участвующих в приспособительной деятель­ ности организма. Раздражимость этих тканей достигла наивыс­ шего развития и трансформировалась в новое свойство — возбу­ димость. Под этим термином понимают способность ряда тканей (нервной, мышечной, железистой) отвечать на раздражение гене­ рацией процесса возбуждения. Возбуждение — это сложный ф и ­ зиологический процесс временной деполяризации мембраны клеток, который проявляется специализированной реакцией тка­ ни (проведение нервного импульса, сокращ ение мышцы, отделе­ ние секрета железой и т. д.). Возбудимостью обладают нервная, мышечная и секреторная ткани, которые называют возбудимыми тканями. Возбудимость различных тканей неодинакова. Ее вели­ чину оценивают по порогу раздражения — минимальной силе раздражителя, которая способна вызвать возбуждение. М енее сильные раздражители называются подпороговыми, а более силь­ ные — сверхпороговыми.

Раздражителями, вызывающими возбуждение, могут быть любые внешние (действующие из окружающей среды) или внут­ ренние (возникающие в самом организме) воздействия. Все раз­ дражители по их природе можно разделить на три группы: ф изи ­ ческие (механические, электрические, температурные, звуковые, световые), химические (щелочи, кислоты и другие химические вещества, в том числе и лекарственные) и биологические (виру­ сы, бактерии, насекомые и другие живые существа).

По степени приспособленности биологических структур к их восприятию раздражители можно разделить на адекватные и не­ адекватные. Адекватными называются раздражители, к восприя­ тию которых биологическая структура специально приспособле­

16	Глава 2. Физиология возбудимых тканей

на в процессе эволюции. Например, адекватным раздражителем для фоторецепторов является свет, для барорецепторов — изме­ нение давления, для мышц — нервный импульс. Неадекватными называются такие раздражители, которые действуют на структу­ ру, специально не приспособленную для их восприятия. Напри­ мер, мышца может сокращаться под влиянием механического, теплового, электрического раздражений, хотя адекватным раз­ дражителем для нее является нервный импульс. Пороговая сила неадекватных раздражителей во много раз превыш ает пороговую силу адекватных.

Биоэлектрические явления в возбудимых тканях. Природа возбуждения

Возбуждение представляет собой сложную совокупность ф и ­ зических, химических и физико-химических процессов, в резуль­ тате которых происходит быстрое и кратковременное изменение электрического потенциала мембраны.

Первые исследования электрической активности живых тка­ ней были проведены Л. Гальвани. Он обратил внимание на сснсра-; щ ение мышц препарата задних лапок лягушки, подвешенной на медном крючке, при соприкосновении с железными перилами балкона (первый опыт Гальвани). На основании этих наблюдений им был сделал вывод, что сокращ ение лапок вызвано «животным электричеством», которое возникает в спинном мозге и передает­ ся по металлическим проводникам (крючку и перилам) к мыш­ цам.

Ф изик А. Вольта, повторив этот опыт, пришел к другому за­ ключению. Источником тока, по его мнению, является не спин­ ной мозг и «животное электричество», а разность потенциалов, образующ аяся в месте контакта разнородных металлов — меди и железа, а нервно-мышечный препарат лягушки является лишь проводником электричества. В ответ на эти возражения Л. Галь­ вани усовершенствовал опыт, исключив из него металлы. Он пре­ парировал седалищный нерв вдоль бедра лапки лягушки, затем набрасывал нерв на мышцы голени, что вызывало сокращ ение мышцы (второй опыт Гальвани), тем самым доказав сущ ествова­ ние «животного электричества».

Позднее Дюбуа-Реймоном было установлено, что поврежден­ ный участок мышцы имеет отрицательный заряд, а неповрежден­ ный участок — положительный. При набрасывании нерва между поврежденным и неповрежденным участками мышцы возникает ток, который раздражает нерв и вызывает сокращение мышцы. Этот ток был назван током покоя, или током повреждения. Так бы­ ло показано, что наружная поверхность мышечных клеток заря­ жена положительно по отношению к внутреннему содержимому.

Глава 2. Физиология возбудимых тканей

17

Мембранный потенциал

Всостоянии покоя между наружной и внутренней поверхно­ стями мембраны клетки существует разность потенциалов, кото­ рая называется мембранным потенциалом [МП), или, если это клетка возбудимой ткани, — потенциалом покоя. Так как внут­

ренняя сторона мембраны заряж ена отрицательно по отношению к наружной, то, принимая потенциал наружного раствора за нуль, МП записывают со знаком «минус». Его величина у разных кле­ ток колеблется от минус 30 до минус 100 мВ.

Первая теория возникновения и поддержания мембранного потенциала была разработана Ю .Бернштейном (1902). Исходя из того, что мембрана клеток обладает высокой проницаемостью для ионов калия и малой проницаемостью для других ионов, он пока­ зал, что величину мембранного потенциала можно определить, используя формулу Нернста:

Е = Е	RT	[К+]
	= ------ In -— *-н
М ‘	nF	[К+]вн
где Ем — разность потенциалов между внутренней и наруж ­
ной сторонами мембраны;	— равновесный потенциал для ио­

нов калия; R — газовая постоянная; Г — абсолютная температура; л — валентность иона; F — число Фарадея; [К+]>н — внутренняя и [К+]н — наружная концентрация ионов калия.

В 1949—1952 гг. А.Ходжкин, Э.Хаксли, Б.Катц создали со­ временную мембранно-ионную теорию, согласно которой мем ­ бранный потенциал обусловлен не только концентрацией ионов калия, но и натрия и хлора, а такж е неодинаковой проницаемос­ тью для этих ионов мембраны клетки. Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30 —50 раз больше ионов калия, в 8 —10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Проницаемость мембраны для ио­ нов обусловлена ионными каналами, макромолекулами белка, пронизывающ ими липидный слой. Одни каналы открыты посто­ янно, другие (потенциалозависимые) открываются и закры ва­ ются в ответ на изменения МП. Потенциалозависимые каналы подразделяются на натриевые, калиевые, кальциевые и хлор­ ные. В состоянии физиологического покоя мембрана нервных клеток в 25 раз более проницаема для ионов калия, чем для ио­ нов натрия.

Таким образом, согласно обновленной мембранной теории асимметричное распределение ионов по обе стороны мембраны и связанное с этим создание и поддержание мембранного потенци­ ала обусловлено как избирательной проницаемостью мембраны для различных ионов, так и их концентрацией по обе стороны от

18 Глава 2. Физиология возбудимых тканей

мембраны, а более точно величину мембранного потенциала мож­ но рассчитать по формуле:

	R T ln	Рк[К)1 + P N,[N a )I + Р П[С1);
“	*F	W H++ P Na[Na]H++ P a [C l]- '

где Рк, PNa, РС| — проницаемость для ионов калия, натрия и хлора.

Поляризация мембраны в покое объясняется наличием откры­ тых калиевых каналов и трансмембранным градиентом концентра­ ций калия, что приводит к выходу части внутриклеточного калия в окружающую клетку среду, т.е. к появлению положительного за­ ряда на наружной поверхности мембраны. Органические анио­ ны — крупномолекулярные соединения, для которых мембрана клетки непроницаема, создают на внутренней поверхности мемб­ раны отрицательный заряд. Поэтому чем больше разница концент­ раций калия по обе стороны от мембраны, тем больше его выходит и тем выше значения МП. Переход ионов калия и натрия через мембрану по их концентрационному градиенту в конечном итоге должен был бы привести к выравниванию концентрации этих ио­ нов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране имеются на- трий-калиевые насосы, которые обеспечивают выведение из клет­ ки ионов натрия и введение в нее ионов калия, работая с затратой энергии. Они принимают и прямое участие в создании МП, так как за единицу времени ионов натрия выводится из клетки больше, чем вводится калия (в соотношении 3:2), что обеспечивает постоян­ ный ток положительных ионов из клетки. То что выведение натрия зависит от наличия метаболической энергии, доказывается тем, что под действием динитрофенола, который блокирует метаболи­ ческие процессы, выход натрия снижается примерно в 100 раз. Та­ ким образом, возникновение и поддержание мембранного потен­ циала обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки и работой натрий-калиевого насоса.

Изменения мембранного потенциала. Пороговые и подпороговые раздраж ители

Если раздражать нейрон через электрод, находящийся в цито­ плазме, кратковременными импульсами деполяризующего элект­ рического тока различной величины, то, регистрируя через другой электрод изменения мембранного потенциала, можно наблюдать следующие биоэлектрические реакции: электротонический по­ тенциал, локальный ответ и потенциал действия (рис.1). Если на­ носятся раздражения, величина которых не превышает 0,5 вели­ чины порогового раздражения, то деполяризация мембраны на­ блюдается только во время действия раздражителя. Это пассивная

Глава 2. Физиология возбудимых тканей

19

электротоническая деполяризация (электротонический потенци­ ал). Развитие и исчезновение электротонического потенциала происходит по экспоненте и определяется параметрами раздража­ ющего тока, а также свойствами мембраны (ее сопротивлением и емкостью). Во время развития электротонического потенциала проницаемость мембраны для ионов практически не изменяется.

Локальный ответ. При увеличении амплитуды подпороговых раздражений от 0,5 до 0,9 пороговой величины развитие деполя­ ризации мембраны происходит не прямолинейно, а по S-образ- ной кривой. Деполяризация продолжает нарастать и после пре­ кращения раздражения, а затем сравнительно медленно исчеза­ ет. Этот процесс получил название локального ответа. Локальный ответ имеет следующие свойства: 1) возникает при действии под­ пороговых раздражителей: 2) находится в градуальной зависимо­ сти от силы стимула (не подчиняется закону «все или ничего»); ло­ кализуется в месте действия раздражителя и не способен к рас­ пространению на большие расстояния; 3) может распространять­ ся лишь локально, при этом его амплитуда быстро уменьшается; 4) локальные ответы способны суммироваться, что приводит к увеличению деполяризации мембраны. В период развития ло­ кального ответа возрастает поток ионов натрия в клетку, что по­ вышает ее возбудимость. Локальный ответ является эксперимен­ тальным феноменом, однако по перечисленным выше свойствам он близок к таким явлениям, как процесс местного нераспространяющегося возбуждения и возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), который возникает под влиянием деполяри­ зующего действия возбуждающих медиаторов.

40 *иа

20

О

-Я)

-40

-ео ■во ■wo

я

Рис. 1. Изменение мембранного потенциала под влиянием деполяризующих и гнперполярнзующих раздражений:

а— электротонический потенциал; б — локальный ответ;

в— потенциал действия; г — гиперполяризация; д — раздражения

20	Глава 2. Физиология возбудимых тканей

П отенциал действия

Потенциал действия (ПД) возникает на мембранах возбуди­ мых клеток под влиянием раздражителя пороговой или сверхпороговой величины, который увеличивает проницаемость мембра­ ны для ионов натрия. Ионы натрия начинают входить внутрь клетки, что приводит к уменьшению величины мембранного по­ тенциала — деполяризации мембраны. При уменьшении МП до критического уровня деполяризации открываются потенциалоза­ висимые каналы для натрия и проницаемость мембраны для этих ионов увеличивается в 500 раз (превышая проницаемость для ио­ нов калия в 20 раз). В результате проникновения ионов натрия в цитоплазму и их взаимодействия с анионами разность потенциа­ лов на мембране исчезает, а затем происходит перезарядка кле­ точной мембраны (инверсия заряда, овершут) — внутренняя по­ верхность мембраны заряжается положительно по отношению к наружной (на 30 —50 мВ), после чего закрываются натриевые ка­ налы и открываются потенциалозависимые калиевые каналы. В результате выхода калия из клетки начинается процесс восста­ новления исходного уровня мембранного потенциала покоя — реполяризация мембраны. Если такое повышение проводимости для калия предотвратить введением тетраэтиламмония, который избирательно блокирует калиевые каналы, мембрана реполяризуется гораздо медленнее. Натриевые каналы можно блокировать тетродотоксином и разблокировать последующим введением фермента проназы, который расщепляет белки.

Таким образом, в основе возбуждения (генерации ПД) лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового (критического) уровня.

Впотенциале действия различают следующие фазы:

1.Предспайк — процесс медленной деполяризации мембра­ ны до критического уровня деполяризации (местное возбужде­ ние, локальный ответ).

2.Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяри­ зация мембраны).

3.Отрицательный следовой потенциал — от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мемб­ раны (следовая деполяризация).

4.Положительный следовой потенциал — увеличение мемб­ ранного потенциала и постепенное возвращ ение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

Изменения возбудимости при возбуждении

При развитии потенциала действия происходят ф азны е из­

Глава 2. Физиология возбудимых тканей

21

менения возбудимости ткани (рис. 2). Состоянию исходной поля­ ризации мембраны (мембранный потенциал покоя) соответствует нормальный уровень возбудимости. В период предспайка возбу­ димость ткани повышена. Эта ф аза возбудимости получила на-

Рис.2. Соотношение одиночного цикла возбуждения (А) и фаз возбудимости (Б)

Для А: а — мембранный потенциал покоя; б —локальный ответ или ВПСП; в — восходящая фаза потенциала действия (деполяризация и иннерсии); г —нисходящая фаза потенциала действия (реполяризация);

д— отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация);

е— положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация)

Для Б: а — исходный уровень возбудимости; б — фаза повышенной возбу­ димости; в — фаза абсолютной рефрактерности; г —фаза относительной рефрактерности; д — фаза супернормальной возбудимости;

е —фаза субнормальной возбудимости

звание повышенной возбудимости (первичной экзальтации). В это время мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, поэтому дополнительный стимул, даже если он меньше порогового, может довести мембрану до критиче­ ского уровня деполяризации. В период развития спайка (пиково­ го потенциала) идет лавинообразное поступление ионов натрия внутрь клетки, в результате чего происходит перезарядка мемб­ раны и она утрачивает способность отвечать возбуждением на раздражители даже сверхпороговой силы. Эта ф аза возбудимос­ ти получила название абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости). Она длится до конца перезарядки мембраны и возникает в связи с тем, что натриевые каналы инактивируются.

22	Глава 2. Физиология возбудимых тканей

После окончания ф азы перезарядки мембраны возбудимость ее постепенно восстанавливается до исходного уровня — ф аза от ­ носительной рефрактерности. Она продолжается до восстанов­ ления заряда мембраны, достигая величины критического уровня деполяризации. Так как в этот период мембранный потенциал по­ коя ещ е не восстановлен, то возбудимость ткани понижена и но­ вое возбуждение может возникнуть только при действии сверхпорогового раздражителя.

Снижение возбудимости в ф азу относительной реф рактер­ ности связано с частичной инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых. Периоду отрицательного следового потен­ циала соответствует повышенный уровень возбудимости (фаза вторичной экзальтации). Так как мембранный потенциал в эту ф азу ближе к критическому уровню деполяризации по сравне­ нию с состоянием покоя (исходной поляризацией), то порог раз­ дражения снижен и новое возбуждение может возникнуть при действии раздражителей подпороговой силы.

В период развития положительного следового потенциала возбудимость ткани понижена — ф аза субнормальной возбуди­ мости (вторичной рефрактерности). В эту ф азу мембранный по­ тенциал увеличивается (состояние гиперполяризации мембра­ ны), удаляясь от критического уровня деполяризации, порог раз­ дражения повышается и новое возбуждение может возникнуть только при действии раздражителей сверхпороговой величины. Рефрактерность мембраны является следствием того, что натри­ евый канал состоит из собственно канала (транспортной части) и воротного механизма, который управляется электрическим по­ лем мембраны. В канале предполагают наличие двух типов «во­ рот» — быстрых активационных (ш) и медленных инактивационных (Л). «Ворота» могут быть полностью открыты или закрыты, например, в натриевом канале в состоянии покоя «ворота» т за­ крыты, а «ворота» h — открыты. При уменьшении заряда мемб­ раны (деполяризации) в начальный момент «ворота» т и h откры ­ ты — канал способен проводить ионы. Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрохимическому градиенту. Затем инактивационные «ворота» закрываются, т.е. канал инактивируется. По мере восстановления МП инактиваци­ онные «ворота» медленно открываются, а активационные быст­ ро закрываю тся и канал возвращ ается в исходное состояние. Следовая гиперполяризация мембраны может возникать вслед­ ствие трех причин: во-первых, продолжающимся выходом ионов калия; во-вторых, открытием каналов для хлора и поступлением этих ионов в клетку; в-третьих, усиленной работой натрий-кали- евого насоса.

Глава 2. Физиология возбудимых тканей

23

Законы раздраж ения возбудимых тканей

Эти законы отражаю т определенную зависимость между дей­ ствием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани. К законам раздражения относятся: закон силы, закон «все или ни­ чего», закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации), закон силы-времени (силы-длительности), закон полярного действия постоянного тока, закон физиологического электротона.

Закон силы: чем больше сила раздражителя, тем больше вели­ чина ответной реакции. В соответствии с этим законом функцио­ нирует скелетная мышца. Амплитуда ее сокращ ений постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя вплоть до до­ стижения максимальных значений. Это обусловлено тем, что ске­ летная мышца состоит из множества мышечных волокон, имею ­ щих различную возбудимость. На пороговые раздражители отве­ чают только волокна, имеющие самую высокую возбудимость, амплитуда мышечного сокращ ения при этом минимальна. Увели­ чение силы раздражителя приводит к постепенному вовлечению волокон, имеющих меньшую возбудимость, поэтому амплитуда сокращ ения мышцы усиливается. Когда в реакции участвуют все мышечные волокна данной мышцы, дальнейшее повышение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения.

Закон «все или ничего»: подпороговые раздражители не вызы ­ вают ответной реакции («ничего»), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция («все»). По закону «все или ничего» сокращаются сердечная мышца и одиночное мышечное волокно. Закон «все или ничего» не абсолютен. Вопервых, на раздражители подпороговой силы не возникает види­ мой ответной реакции, но в ткани происходят изменения мемб­ ранного потенциала покоя в виде возникновения местного воз­ буждения (локального ответа). Во-вторых, сердечная мышца, рас­ тянутая кровью, реагирует по закону «все или ничего», но ампли­ туда ее сокращ ения будет больше по сравнению с таковой при со­ кращении нерастянутой сердечной мышцы.

Закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации): стимули­ рующее действие постоянного тока зависит не только от абсо­ лютной величины силы тока, но и от скорости нарастания тока во времени. При действии медленно нарастающего тока возбужде­ ние не возникает, так как происходит приспособление возбуди­ мой ткани к действию этого раздражителя, что получило назва­ ние аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что при дейст­ вии медленно нарастающего раздражителя в мембране происхо­ дит повышение критического уровня деполяризации. При сни ­ жении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения ПД не возникает, так как деполяризация мембраны является пусковым стимулом к началу двух процес­

24	Глава 2. Физиология возбудимых тканей

сов: быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемос­ ти и тем самым обусловливающего возникновение потенциала действия, и медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и как следствие этого — к окончанию потенциа­ ла действия. При быстром нарастании стимула повышение на­ триевой проницаемости успевает достичь значительной величи­ ны прежде, чем наступит инактивация натриевой проницаемос­ ти. При медленном нарастании тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога гене­ рации ПД. Способность к аккомодации различных структур нео­ динакова. Наиболее высокая она у двигательных нервных воло­ кон, а наиболее низкая у сердечной мышцы, гладких мышц ки­ шечника, желудка.

Закон силы-времени: раздражаю щ ее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в тече­ ние которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать на возбудимые ткани, чтобы вызвать воз­ буждение (рис.З).

Рис.З. Зависимость меж ду силой тока и временем его действия:

А— реобаза; Б — удвоенная реобаза: В —кривая силы времени;

а—полезное время действия тока; б — хронаксия

Исследования зависимости силы-длительности показали, что она имеет гиперболический характер. Ток меньше некоторой ми­ нимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длитель­ но он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающ ую способность они имеют. Причиной такой зависи­ мости является мембранная емкость. Очень «короткие» токи не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполя­ ризации. М инимальная величина тока, способная вызвать воз­ буждение при неограниченно длительном его действии, называ­ ется реобазой. Время, в течение которого ток, равный реобазе, вызывает возбуждение, называется полезным временем. Хронак-