Загальні уявлення про фізіологію збудливих тканин
Біологічна реакція - реакція клітин, тканин, органів у відповідь на подразник (стимул).
Подразливість - властивість всіх живих тканин змінювати свій внутрішній стан при зміні зовнішніх умов.
Види тканин в залежності від реагування на зовнішні подразники:
I Збудливі - мають властивість збудливості, тобто здатністю порушуватися нервова, м'язова, залозиста.
II невозбудімості - змінюють свій стан, але не генерують процес збудження у відповідь на нанесену стимул.
Збудливість - здатність тканини переходити в збуджений стан.
Порушення - діяльний стан тканин у відповідь на дію подразника, це складна біологічна реакція, що виявляється в сукупності фізичних, фізико-хімічних і функціональних змін, здатна до поширення по тканині.
Порушення включає в себе неспецифічні і специфічні компоненти.
неспецифічні:
зрушення хімічних реакцій, утворення тепла, фізико-хімічні зміни,
продукція биопотенциалов, структурні зміни в мембрані клітин.
специфічні:
м'язова тканина відповідає м'язовим скороченням, нервова тканина - генерацією нервового імпульсу і його проведенням, залозиста тканина - освітою і виділенням секрету.
Порушення може бути локальним і динамічним (поширюється).
біопотенціали
Луїджі Гальвані 1791 року в експерименті показав, що живі тканини містять «тварина електрику», його науковий опонент, фізик Вольта - що це електрику від різнорідних металів, він створив перший джерело постійного струму, який носить назву гальванічний елемент.
Види биопотенциалов:
1. Біопотенціал спокою (мембранний) - МПП.
2. Біопотенціал дії (порушення) - ПД.
- Біопотенціал спокою - це різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнею мембрани клітини в спокої. Зовнішня поверхня мембрани клітини має позитивний заряд, а внутрішня - негативний.
Біопотенціал спокою реєструється внутрішньоклітинним методом - за допомогою мікроелектродів, один з яких вводиться всередину клітини (рис.1).
Малюнок 1. Схематичне представлення методу реєстрації біопотенціалів.
В експерименті биопотенциал спокою можна зареєструвати між пошкодженим і неушкодженим ділянкою тканини. Пошкоджену ділянку є моделлю внутрішньої поверхні мембрани клітини.
При внутрішньоклітинному відведенні перезарядка мембрани реєструється під одним електродом (однофазний ПД), при позаклітинному відведенні потенціал дії проходить через два електроди (реєструється двофазний ПД).
- Біопотенціал дії - це короткочасні високоамплітудні зміни МПП, які виникають при порушенні. ПД реєструється в дратує тканинах, в яких виникає хвиля збудження (рис.2). Вимірюється ПД за допомогою внутрішньоклітинного відведення і позаклітинного відведення.
Малюнок 2. Потенціал дії, основні його фази.
Сучасна, експериментально доведена, мембранно-іонна теорія виникнення біопотенціалів (Ходжкин, Хакслі, Катц).
- Електричні процеси виникають на плазматичній мембрані клітини, яка складається з бімолекулярного шару ліпідів (остов мембрани) і білків, які виконують різні функції в мембрані: рецепторну, ферментативну, утворюють в ній канали і насоси (рис.3).
Канал мембрани може бути неспецифічним, він постійно відкритий, не має воротного механізму, електричні впливу не змінюють його стану. Називають каналом «витоку». Специфічні канали (селективні) мають ворітної механізм, тому можуть перебувати або в відкритому, або в закритому стані в залежності від електричних впливів на мембрану і пропускають тільки певний іон. Цей канал складається з трьох частин: водяної пори - вистелена всередині гідрофільними групами; селективного фільтра - на зовнішній поверхні, який пропускає іони в залежності від їх розміру і форми; воріт - на внутрішній поверхні мембрани, керують проникністю каналу.
Малюнок 3. Будова біологічної мембрани.
Канал мембрани може бути неспецифічним, він постійно відкритий, не має воротного механізму, електричні впливу не змінюють його стану. Називають каналом «витоку». Специфічні канали (селективні) мають ворітної механізм, тому можуть перебувати або в відкритому, або в закритому стані в залежності від електричних впливів на мембрану і пропускають тільки певний іон. Цей канал складається з трьох частин: водяної пори - вистелена всередині гідрофільними групами; селективного фільтра - на зовнішній поверхні, який пропускає іони в залежності від їх розміру і форми; воріт - на внутрішній поверхні мембрани, керують проникністю каналу (рис.4).
Малюнок 4. Будова іонного каналу.
Канали для натрію мають два типи воріт: швидкі активаційні і повільні інактіваціонние. У спокої відкриті повільні інактіваціонние і закриті швидкі активаційні. При порушенні відбувається відкриття швидких активаційних і повільне закриття повільних інактіваціонних, тобто на короткий проміжок часу обидва типи воріт відкриті (рис.5).
Малюнок 5. Робота активаційні і інактіваціонний комірних механізмів натрієвого іонного каналу.
Калієві канали мають тільки повільні ворота.
Насоси виконують функцію транспорту через мембрану іонів проти градієнта концентрації, для їх роботи використовується енергія АТФ.
- По обидва боки мембрани існує концентраційний градієнт.
Усередині клітини в 40 разів> К +; t; / p>
Поза клітини: в 20-30 разів> Na +,
в 50 разів> Cl-.
- Мембрана пропускає молекули жиророзчинних речовин, а аніони органічних кислот не проходять. Мембрана проникна для води, для іонів проникність мембрани різна: для калію в стані спокою проникність майже в 25 разів більше, ніж для натрію. При порушенні збільшується проникність і для калію (поступово), і для натрію (швидко, але на дуже короткий проміжок часу).
потенціал спокою
Проникність мембрани для іонів К + підвищена, тому калій відіграє основну роль в генерації МПП. Калій створює електричне поле і заряджає зовнішню поверхню мембрани «+». У той момент, коли «+» потенціал зовнішньої сторони досягає певної величини по відношенню до «-» всередині, який створюється аніонами - настає динамічна рівновага між вхідними та вихідними з клітки іонами К +. Цьому моменту відповідає потенціал рівноваги для К - потенціал спокою.
МПП характеризується:
1. постійністю;
2. полярністю, зовні «+», всередині «-»;
3. величина - в мВ, для скелетного м'яза - 60 - 90 мВ,
для гладкої - -30 - 70 мВ,
для нерва -50 - 80мВ,
для секреторною клітини - -20мВ.
МПП - один з основних показників стану фізіологічного спокою клітини. При збільшенні позаклітинної концентрації калію зменшується МПП, тому що зменшується дифузія калію з клітки в зв'язку зі зниженням його концентраційного градієнта. При дії речовин, які блокують ресинтез АТФ, тому що припиняється робота натрій-калієвого насоса, також знижується МПП. Іони натрію і хлору входять в клітину, але з огляду на низьку проникності значного впливу на МП не роблять.
потенціал дії
При порушенні - різко збільшується (в кілька тисяч разів) проникність для іонів Na, які надходять всередину клітини лавиноподібно і заряджають внутрішню сторону «+» - відбувається деполяризація мембрани, а потім кількість іонів натрію всередині перевищує калієвий заряд на поверхні і це призводить до перезарядження мембрани (реверсії). Поступово збільшується проникність для калію і його потік з клітки інактивує натрієву проникність і призводить до відновлення заряду на мембрані. Виникає фаза реполяризації.
Істотним фактором є натрій-калієвий насос, який виводить з клітки 3 іона натрію в обмін на 2 іона калію, вводяться в клітку. Його робота залежить від метаболізму клітини, зокрема, від її енергопостачання. При цьому витрачається 1 молекула АТФ (рис.6).
Малюнок 6. Механізм роботи натрій-калієвого насоса.
ПД складається з пікового потенціалу, який утворюється фазою деполяризації, реверсії та реполяризації, і слідів потенціалів (рис.2).
Слідові потенціали:
Негативний (слідові деполяризация);
Позитивний (слідові гиперполяризация).
Причиною слідів потенціалів є подальші зміни співвідношення між входом натрію в клітку і виходом калію з неї. При слідової деполяризації відзначається залишковий струм натрію в клітку при одночасному зниженні калієвого струму. При слідової гіперполяризації - залишкове посилення струму калію з клітки при одночасній активації натрій-калієвого насоса.
ПД характеризується:
1. мінливих характером;
2. кратковременностью - кілька мсек;
3. зарядом мембрани, зовні - «-», всередині - «+».
При дії речовин, які блокують натрієві канали, ПД не генерується, тому що в нормі деполяризація мембрани обумовлена підвищення її натрієвої проникності. При збільшенні сили подразника вище порога амплітуда ПД не змінюється, тому що не змінюється кількість активованих натрієвих каналів, які максимально розкриваються при пороговому подразненні.
Умови, необхідні для виникнення збудження (закони подразнення).
Збудливість тканин різна. Щоб викликати збудження, подразник повинен володіти:
1. Чи достатньою силою - закон порога.
2. крутизни (градієнтом) наростання цієї сили - закон акомодації.
3. Часом дії - закон сили-часу.
1. Закон сили. Мірою збудливості є поріг роздратування - мінімальна сила подразника, здатна викликати збудження. Всі подразники можна розділити на підпорогової, порогові і надпорогові. За біологічним значенням подразники ділять на адекватні (діючі на тканину в природних умовах, до них вона пристосована в процесі еволюції) і неадекватні. У фізіологічних експериментах в якості подразника найчастіше використовується електричний струм, тому що він викликає оборотні зміни, легко дозується по силі і тривалості, за своєю природою близький до електричних процесів, що протікають в живих організмах.
У 1870 р Боудіч в експерименті на м'язі серця шляхом нанесення на неї одиночних порогових подразнень реєстрував реакцію - встановив, що на подпороговое роздратування реакції не було, при порогової силі і сверхпороговой амплітуда реакції у відповідь була однаковою. На підставі цього він запропонував закон «Все або нічого».
Після введення в експериментальні дослідження мікроелектронної техніки було встановлено, що на подпороговое роздратування в тканини виникає відповідна реакція. Якщо сила стимулу менше 50% граничної величини, то під полюсами електродів відбувається пасивна деполяризация без зміни проникності мембрани для іонів (електротонічних зміни). Якщо сила стимулу менше порогової величини, але більше 50% від неї, то в тканини виникає локальний відповідь, який супроводжується деполяризацією мембрани в області нанесення роздратування і не поширюється на всю тканину, збудливість тканин в цій ділянці підвищена. Локальний відповідь підкоряється закону силових відносин, тобто чим більше сила підпорогового стимулу, тим більше амплітуда локального відповіді. Проникність мембрани клітини в цій ділянці підвищується для іонів натрію. При нанесенні порогового стимулу виникає ПД, амплітуда якого не змінюється, якщо величина стимулу буде перевищувати порогову, тобто відповідає закону «Все або нічого», але на надпорогові стимули тривалість ПД буде менше за рахунок укорочення тривалості локального відповіді.
Момент переходу локального відповіді в ПД називається критичним рівнем деполяризації (КУД), а зсув заряду мембрани з мембранного потенціалу до КУД, називається пороговим потенціалом, він поряд з порогом подразнення характеризує збудливість тканини.
Зміна збудливості тканин при порушенні.
При порушенні збудливість тканин зазнає певних змін в залежності від фаз ПД (рис.7):
I - супернормальная збудливість (первинна) відповідає локальному відповіді, при цьому два підпорогових стимулу, нанесених з інтервалом часу, коротше тривалості локального відповіді можуть підсумовуватися і викликати ПД;
II - абсолютна рефрактерність - відповідає регенеративної деполяризації і реверсії, при цьому тканина стає абсолютно невозбудимой і не відповідає на найсильніші подразники;
III - відносна рефрактерная фаза, відповідає реполяризації, при цьому збудливість тканини поступово відновлюється і сверхпороговое стимул, нанесений в цей період може генерувати ПД;
IV - супернормальная збудливість (вторинна або екзальфаціонная фаза) - слідової деполяризації, тканина стає більш збудливою, ніж в початковому стані і навіть підпороговий стимул здатний викликати ПД;
V - субнормальная збудливість - слідової гіперполяризації, збудливість тканини дещо знижена.
Малюнок 7. Зміна збудливості мембрани при розвитку потенціалу дії.
2. Закон градієнта подразнення (Дюбуа Реймон). Чим більше градієнт роздратування, тим більше (до певних меж) реакція живого освіти.
За час дії повільно наростаючого стимулу настає пристосування тканини - акомодація. Вона пов'язана з тим, що при порушенні проникність для іонів натрію збільшується на короткий проміжок часу, якщо протягом його подразник не досягає граничної величини, то збільшується проникність для іонів калію інактивує натрієву проникність і збудження не настає. При цьому відбувається також зрушення КУД зі збільшенням порогового потенціалу.
3. Закон сили-часу (Лапик). Порогова величина будь-якого подразника знаходиться в зворотній залежності від часу його дії, яка характеризується математичної кривої - гіперболою. Характер кривої свідчить про те, що підпорогові стимули (менше 1 реобази) не викличуть збудження як довго б вони не діяли, в той же час дуже сильний короткочасний стимул, тривалість якого менше корисного часу, також не викличе збудження.
Сила постійного струму, яка, діючи невизначений час, викликає збудження, називається реобазой.
Час, протягом якого струм в 1 реобазам викликає збудження - корисний час.
Мінімальний час, протягом якого струм силою в 2 реобази викличе збудження, називається хронаксіі. Дослідження цього показника використовується в неврологічної і травматологічної практиці для вивчення динаміки відновлення в нервової або м'язової тканини після травми.