Слайд 1 - Волгоградский государственный медицинский
advertisement
Уважаемые студенты! • Данная лекция предназначена для домашнего ознакомления с теоретическим материалом темы, но отнюдь не отменяет посещение лекций на кафедре. • Обращаем Ваше внимание на то, что содержащаяся здесь информация не является полной по данной теме и не может быть единственным источником при подготовке к зачету и экзамену !!! Волгоградский государственный медицинский университет Кафедра нормальной физиологии Лекция Нервно-мышечная физиология Зав.кафедрой профессор С.В.Клаучек профессор К.В.Гавриков доцент, к.м.н. Е.В.Лифанова асс.Р.А.Кудрин План • • • • • • Электрические явления в возбудимых тканях. Возбудимые ткани и их свойства. Понятие о возбуждении и торможении. Мембранный потенциал. Роль градиентов и избирательной проницаемости мембраны в возникновении потенциала покоя. Потенциал действия: методы регистрации, его фазы и механизмы возникновения. Местное возбуждение и переход его в распространяющееся. Основные понятия физиологии возбудимых тканей Раздражитель - это фактор внешней или внутренней среды, способный вызвать ответную реакцию организма, его органов, тканей и клеток. Раздражение - процесс воздействия раздражителя на организм или его структурные компоненты. Возбудимость раздражителей свойство клеток и тканей отвечать специфической реакцией - возбуждением. - на действие Возбуждение - физиологический процесс усиления деятельности и обмена веществ в ответ на действие раздражителя. Торможение - физиологический процесс снижения деятельности и обмена веществ в ответ на действие раздражителя. Структура мембраны клетки Мембрана клетки – эластичная структура, толщиной от 7 до 11 Нм. Состоит в основном из липидов и белков. От 40 до 90% всех липидов составляют фосфолипиды – фосфатидилхолин, фосфатидилэтаналин, фосфатидилсерин, сфингомиелин и фосфатидилинозит; Гликолипиды представлены цереброзидами, сульфатидами, ганглиозидами и холестерином. • Основной структурой мембраны клетки является двойной слой фосфолипидных молекул. За счет гидрофобных взаимодействий углеводные цепочки липидных молекул удерживаются друг возле друга в вытянутом состоянии. Группы фосфолипидных молекул обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в липидную мембрану. Благодаря тому, что большинство липидных компонентов бислоя находятся в жидком состоянии, мембрана обладает подвижностью, совершает волнообразные движения. СХЕМА СТРОЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ (по И. Даниели, 1950) СХЕМА МОЗАИЧНОЙ МЕДЕЛИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ (по Л. Бергельсону, 1975 ) • Согласно электронно-микроскопическим данным толщина мембраны ≈5-10Нм, и состоит из липидов, белков и мукополисахаридов. Бимолекулярный слой мембраны является матриксом. • Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы. Мукополисахариды, располагаясь в виде «деревьев» на поверхности мембраны, осуществляют рецепторные функции. Мембрана постоянно обновляется. При этом ее качества могут несколько меняться в зависимости от программы соответствующих процессов синтеза. • Ее участки, а также белки, погруженные в липидный бислой, перемещаются из одной ее части в другую. Подвижность мембран клеток облегчает процессы транспорта вещества через • • • • • Белки мембраны представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки, проникающие через всю толщу мембраны и периферические, прикрепленные только к поверхности мембраны, в основном к внутренней ее части. Периферические белки почти все функционируют как энзимы (ацетилхолинэстераза, кислая и щелочная фосфатаза). Но некоторые представлены интегральными белками – АТФ-азы. Интегральные белки обеспечивают селективный обмен ионов через каналы мембраны между экстра - и интрацеллюлярной жидкостью, а также действуют как переносчики крупных молекул. Белки, примыкающие к мембране с цитоплазматической стороны, относятся к цитоскелету клетки. Цитоскелет позволяет клетке проявлять гибкоэластические свойства, обеспечивает дополнительную прочность мембраны. • В мембране непрерывно протекают процессы обновления ее компонентов. Время жизни мембранных белков колеблется от 2 до 5 дней. Однако, в клетке существуют механизмы, обеспечивающие доставку вновь синтезированных молекул белка к мембранным рецепторам, облегчающих встраивание белка в мембрану, «узнавание» данного рецептора вновь синтезированным белком облегчается образованием сигнального пептида, помогающего найти на мембране рецептор. • Липиды мембраны тоже отличаются большой скоростью обмена, что требует для синтеза компонентов мембраны большого количества жирных кислот. Мембрана является хорошим электрическим изолятором. По обе стороны мембраны между содержимым клетки и внеклеточной жидкостью существует электрическая разность потенциалов – мембранный потенциал. Ионные каналы • Особое значение имеют каналы, проницаемые для ионов Na+, K+, Cl+, Ca 2+. В нервной мембране присутствуют селективные Na, K, хлорные и Ca+ каналы. Эти каналы обладают воротными механизмами и могут быть открытыми или закрытыми. В гигантском аксоне кальмара много Na+ и K+ каналов. В покое практически все Na каналы мембраны аксона закрыты, а большое число K+ - открыто. • Определенное состояние каналов мембран очень важно для генерации МПП нервной клеткой. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для Na+, K+ и Cl-. Эти каналы не имеют воротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану. Электрические явления в возбудимых клетках • Мембранный потенциал покоя. Мембранным потенциалом покоя (МПП) или потенциалом покоя (ПП) называют разность потенциалов покоящейся клетки между внутренней и наружной сторонами мембраны. Внутренняя сторона мембраны клетки заряжена отрицательно по отношению к наружной. Принимая потенциал наружного раствора за нуль, МПП записывают со знаком "минус". Величина МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100 мв. • Следовательно, в состоянии покоя клеточная мембрана поляризована. Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение — гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП — реполяризацией мембраны. Ан АнАн- Ан Ан- АнАн Ан- Ан- Ан- Ан- АнАн- Ан- - Ан- Ан- Ан- Ан-Ан- Ан- Ан- Ан Na+ Ан- Ан- АнNa- Ан- + Ан+ Na - Na+ Ан- Ан- Ан- Ан - Ан-АнАн Ан АнАн- АнNa+ Ан Ан- Ан- + Na - АнАн - АнАн Ан- Ан-- Ан Ан K+ + Ан Na Мембрана - Ан- Ан-Ан Ан- - Ан - - Ан-Ан Ан Ан Ан- Ан- Ан--Na+ Ан Ан + -Na Ан- Ан- Ан- Ан- Ан- Na+ Ан- K+ Ан- Ан- Ан- Ан- Ан +Ан- Na+ + NaАн K K+ Ан- Ан- Ан- Ан- Мембрана K+ Ан- Na+ Na+ Мембрана K+ Ан- Ан-Ан Ан- Ан- Ан- Ан- Ан- - АнАн Механизм создания потенциала покоя биологической мембраны Na+ Ан- АнАн- Ан- АнАн- Na+ Na+ Ионные калиевые каналы Na+ АнK+ K+ Ан- Ионы Схема регистрации потенциала покоя Выключатель Усилитель биопотенциала Электроды Регистратор биопотенциала Мембрана Мв 10 0 -20 -40 -60 -80 Потенциал покоя Замыкание цепи Размыкание цепи Время, мс Мембранный потенциал различных тканей Вид ткани Величины мембранного потенциала (мВ) Нервная 60 - 70 Мышечная 60 - 90 Соединительная 30 - 50 Эпителиальная 15 - 35 • • • • • Наличие стационарной разности потенциалов между цитоплазмой и наружной средой в покоящейся клетке обусловлено существующими концентрационными градиентами для К+, Na+, Cl- и различной проницаемостью мембраны для этих ионов. Основную роль в генерации МПП играет диффузия ионов К+ из клетки в наружный р-р. Наряду с этим МПП определяется также Na и Cl равновесными потенциалами и вклад каждого из них определяется отношениями между проницаемостями плазматической мембраны клетки для данных ионов. Эти факторы составляют ионную компоненту МПП. Поскольку, ни калиевый, ни натриевый равновесные потенциалы не равны МПП, клетка должна поглощать Na+ и терять К+. постоянство концентраций этих ионов в клетке поддерживается за счет работы Na+, К+ - АТФ - азы. • • • • МПП может быть разделен на две компоненты – «ионную» и «метаболическую». «Ионная» зависит от концентрации градиентов ионов и мембранных проницаемостей для них. «Метаболическая» обусловлена активным транспортом Na+ и К+ и оказывает двоякое влияние на МПП. С одной стороны, Na насос поддерживает концентрационные градиенты между цитоплазмой и внешней средой. С другой, будучи электрогенным, Na насос оказывает прямое влияние на МПП. Вклад его в величину МПП зависит от плотности «насосного» тока (ток на единицу площади поверхности мембраны клетки и сопротивления мембраны. • Перенос ионов против градиентов их концентраций называется активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта – утечки ионов. • Na-К насос работает, потребляя энергию АТФ. Его основным компонентом является фермент – мембранная Na-К АТФ-фаза. В норме АТФ поступает к насосу из аксональных митохондрий. Для работы насоса, кроме того, требуется наличие в среде ионов К+, а внутри волокна – ионов Na+. • Появление в каком-либо участке возбудимой клетки ПД приводит к образованию на мембране «продольной» разности потенциалов и появлению электрических токов между невозбуждѐнными и возбуждѐнными участками — т. н. токов действия. Эти токи, в свою очередь, вызывают в невозбуждѐнных участках аналогичные изменения проницаемости; участок возбуждения начинает перемещаться по поверхности клетки. Потенциал действия: методы регистрации, его фазы и механизмы его возникновения • Функция нервных клеток в организме состоит в получении информации, передачи ее в другие участки нервной системы, сравнении ее с информацией от других источников и регуляции деятельности других клеток. Сигналы от нервов вызывают сокращение мышечных клеток. Когда эти два типа клеток ―активны‖ возникает быстрый сдвиг МП в положительном направлении – ПД. • Потенциалы действия можно зарегистрировать в нервных и мышечных клетках с помощью внутриклеточных электродов. • Если на нерв или мышцу нанести раздражение выше порога возбуждения, то МПП нерва или мышцы быстро уменьшится и на короткий промежуток времени (мсек) произойдет перезарядка мембраны. Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, которое на экране осциллографа имеет форму одиночного пика, называется МПД. • МПД в нервной и мышечной тканях возникает при снижении абсолютной величины МПП (деполяризация мембраны) до некоторого критического значения, называемого порогом генерации МПД. Изменение мембранного потенциала и формирование потенциала действия в зависимости от силы раздражения +40 +40 +40 +20 +20 +20 +20 0 0 0 0 -20 -20 -20 Мембранный потенциал +40 -20 -40 -60 -80 -40 Порог -40 Порог -40 -60 -60 -60 -80 -80 -80 Сила раздражителя Раздражитель не действует и Раздражитель подпороговый слабой силы Раздражитель подпороговый большей силы Раздражитель надпороговый силы Порог • • • • Расчеты показали, что если в состоянии покоя соотношение const проницаемости мембраны для K+, Na+, Cl- = 1 : 0,04 : 0,45, то при МПД = P K+ : P Na+ : P Cl- = 1 : 20 : 0,45. Следовательно, в состоянии возбуждения мембрана нервного волокна не просто утрачивает свою избирательную ионную проницаемость, а напротив, из избирательно проницаемой в покое для ионов K+ она становится избирательно проницаемой для ионов Na+. Увеличение проницаемости для Na+ связано с открыванием потенциал - Механизм, который обеспечивает открывание и закрывание ионных каналов, получил название ворот канала • Различают активационные (m) и инактивационные (h). • Ионный канал может находиться в трех основных состояниях: • А -закрытом (m – ворота закрыты; h – открыты); • Б-открытом (m и h ворота открыты) • В -инактивированном (m – ворота открыты; h – закрыты) • Схема положения активационных (m) и инактивационных (h) ворот натриевых каналов, соответствующие закрытому (покой, А), открытому (активация, Б) и инактивированному (В) состояниям. деполяризация мембраны, вызываемая раздражающим стимулом, например, электрическим током, открывает m -ворота натриевых каналов (переход из состояния А в Б ) и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов — ионов натрия. • Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, увеличивает число открытых натриевых каналов и, следовательно, повышает натриевую проницаемость мембраны. Возникает "регенеративная" деполяризация мембраны, в результате которой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала. Реполяризация • Снижение электрохимического потенциала для ионов Na+ и инактивация натриевых каналов уменьшает величину входящего натриевого тока. В определенный момент времени величина входящего тока Na сравнивается с возросшим выходящим током – рост МПД прекращается. Когда суммарный выходящий ток превышает входящий, начинается реполяризация мембраны. Начавшаяся реполяризация ведет к закрыванию активационных ворот (m), что уменьшает натриевую проницаемость мембраны, ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов. • Фаза реполяризации МПД в некоторых клетках (например, в кардиомиоцитах и ряде гладкомышечных клеток может замедляться, формируя плато ПД, обусловленное сложными изменениями входящих и выходящих токов через мембрану. Следовые потенциалы за МПД может возникнуть гиперполяризация и (или) деполяризация мембраны. Это так называемые следовые потенциалы. • Следовая гиперполяризация имеет ионную и метаболическую природу. Ионная связана с остаточной (десятки и сотни мсек) повышенной проницаемостью мембраны после генерации МПД и смещает мембранный потенциал в сторону калиевого равновесного потенциала. Следовая гиперполяризация после ритмической стимуляции клеток связана преимущественно с активацией электронного натриевого насоса, в следствие накопления ионов Na в клетке. • Следовая деполяризация, развивающаяся после генерации МПД, является следствием накопления ионов K+ у наружной поверхности мембраны, что ведет к увеличению МПП. Сопоставление развития потенциала действия с изменениями ионной проницаемости мембраны Мв +20 0 -20 -40 -60 Мембрана -80 Время, мс 1 + + + + 2 + Аксоплазма + + - Na+ Na+ 3 + + + 4 + + + 5 + + Аксоплазма K+ + + Изменения натриевой и калиевой проводимости мембраны нервного волокна во время генерации потенциала действия (I). Изменения проводимости пропорциональны изменениям проницаемости для Na+(II) и К+(III). Рефрактерность • С инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна, называемое рефрактерностью. • Во время абсолютного рефрактерного периода нервное волокно полностью утрачивает способность возбуждаться при действии раздражителя любой силы. В нервных клетках его продолжительность ≈ 1 мсек. • Относительная рефрактерность, следующая за абсолютной характеризуется более высоким порогом возникновения МПД. • При этом путем значительной деполяризации можно все же вызвать ПД, хотя его амплитуда снижена по сравнению с нормой. ПД нормальной амплитуды при нормальной пороговой деполяризации можно вызвать только через несколько мсек после предыдущего ПД. Возвращение к нормальной ситуации соответствует окончанию относительного рефрактерного периода. Рефрактерность • обусловлена инактивацией натриевой системы во время предшествующего ПД. Хотя при реполяризации мембраны состояние инактивации проходит, такое восстановление представляет собой постепенный процесс, идущий в течение нескольких мсек,в течение которых натриевая система еще не способна активироваться или активируется до определенного предела. • Абсолютный рефрактерный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Если абсолютный рефрактерный период завершается через 2 мсек после начала ПД, клетка может возбуждаться с частотой = 500/сек. • Существуют клетки с еще более коротким рефрактерным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой = 1000/сек. Однако большинство клеток имеет максимальную частоту ПД ниже 500 м/сек. Сопоставление одиночного возбуждения с фазами возбудимости 000 -20 Критический уровень деполяризации -40 Потенциал действия мВ +20 -60 Изменение возбудимости -80 100% 100% 0 Обозначения а — мембранный б — локальный в — потенциал потенциал ответ действия г — следовая деполяризация д — следовая гиперполяризация Сократимость и возбудимость мышц разного вида а б 1 г Скелетная мышца 2 б а Мышца сердца 1 г 2 а б 1 2 Время Гладкая мышца Обозначения:1—кривая сокращения и расслабления, 2 — кривая возбудимости; а — период укорочения, б — период расслабления, г — фаза экзальтации План: • Порог раздражения. Закон силы. Закон «все или ничего». • Аккомодация возбудимых тканей. • Соотношение силы и времени раздражения. Хронаксия. • Особенности действия постоянного тока на ткани. • Полярный закон раздражения. Объяснение механизма действия постоянного тока. Распространение физического электротона. Физиологическое действие периодического тока. Основной механизм действия гальванического тока. • Парабиоз. • Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия. Рефрактерность. • Лабильность. • • • • • • Законы раздражения отражают определенную зависимость между действием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани. К законам раздражения относятся: закон силы, закон "все или ничего", закон аккомодации (Дюбуа-Реймона) , закон силы-времени (силы-длительности), закон полярного действия постоянного тока, закон физиологического электротона. Основные законы раздражения электровозбудимых тканей Действие раздражителя на организм подчиняется законам раздражения электровозбудимых тканей. К ним относятся: Закон силы раздражения- чем сильнее раздражение, тем до известных пределов сильнее ответная реакция организма, его органов, тканей и клеток. Закон длительности раздражения- чем длительнее раздражение, тем сильнее_до известных пределов, ответная реакция живой системы. Функциональная подвижность- максимальное число волн возбуждения в единицу времени, воспроизводимых тканью без искажения. Закон градиента - чем выше крутизна нарастания раздражителя во времени, тем больше до известных пределов величина функционального ответа Закон силы: • чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции. В соответствии с этим законом функционируют сложные структуры, например, скелетная мышца. Амплитуда ее сокращений от минимальных (пороговых) величин постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя до субмаксимальных и максимальных значений. Это обусловлено тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих различную возбудимость. Поэтому на пороговые раздражители отвечают только те мышечные волокна, которые имеют самую высокую возбудимость, амплитуда мышечного сокращения при этом минимальна. С увеличением силы раздражителя в реакцию вовлекается все большее и большее количество мышечных волокон и амплитуда сокращения мышцы все время увеличивается. Когда в реакцию вовлечены все мышечные волокна, составляющие данную мышцу, дальнейшее увеличение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения. Закон "все или ничего" • подпороговые раздражители не вызывают 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. Во-первых, на раздражители подпороговой силы не возникает видимой ответной реакции, но в ткани происходят изменения мембранного потенциала покоя в виде возникновения местного возбуждения (локального ответа). Во-вторых, сердечная мышца, растянутая кровью, при наполнении ею камер сердца, реагирует по закону "все или ничего", но амплитуда ее сокращения будет больше по сравнению с сокращением сердечной мышцы, не растянутой кровью. Закон раздражения ДюбуаРеймона (аккомодации): • раздражающее действие постоянного тока зависит не только от абсолютной величины силы тока или его плотности, но и от скорости нарастания тока во времени. • При действии медленно нарастающего раздражителя возбуждение не возникает, так как происходит приспосабливание возбудимой ткани к действию этого раздражителя, что получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что при действии медленно нарастающего раздражителя в мембране возбудимой ткани происходит повышение критического уровня деполяризации. • При снижении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения потенциал действия вообще не возникает. Причина заключается в том, что деполяризация мембраны является пусковым стимулом к началу двух процессов: быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемости, и тем самым обусловливающего возникновение потенциала действия, и медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и как следствие этого - окончанию потенциала действия. • При медленном нарастании тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога или ликвидации возможности генерировать ПД вообще. Способность к аккомодации различных структур неодинакова. Наиболее .высокая она у двигательных нервных волокон, а наиболее низкая у сердечной мышцы, гладких мышц кишечника, желудка. • При быстром нарастании стимула повышение натриевой проницаемости успевает достичь значительной величины прежде, чем наступит инактивация натриевой проницаемости. Аккомодация возбудимых тканей • Раздражители характеризуются не только силой и длительностью действия, но и скоростью роста во времени силы воздействия на объект, т. е. градиентом. • Уменьшение крутизны нарастания силы раздражителя ведет к повышению порога возбуждения, вследствие чего, ответ биосистемы при некоторой минимальной крутизне вообще исчезает. Это явление названо аккомодацией. • Зависимость между крутизной нарастания силы раздражения и величиной возбуждения определена в законе градиента: реакция живой системы зависит от градиента раздражения: чем выше крутизна нарастания раздражителя во времени, тем больше до известных пределов величина функционального ответа. Закон силы-длительности: • раздражающее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в течение которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать для возникновения возбуждения. Зависимость силы-длительности имеет гиперболический характер. Из этого следует, что ток ниже некоторой минимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длительно он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающую способность они имеют. Причиной такой зависимости является мембранная емкость. Очень "короткие" токи просто не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполяризации. Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой. Кривая «силы – времени» -хронаксия Напряжение тока, В Хронаксия- время, в течение которого должен действовать раздражитель удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Хронаксия 2 1 б Время, мс а Обозначения: 1 - реобаза, 2 - удвоенная реобаза; а- полезное время действия тока, б - хронаксия • • • • Хронаксия Пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. Кривая силы – длительности, или силы – времени, изученная при исследовании различных нервов и мышц Гарвегом (1892), Вейсом (1901) и Лапиком (1909) свидетельствует о том, что ток ниже некоторой минимальной силы или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он ни действовал. Минимальная сила постоянного тока, способная вызвать возбуждение (порог раздражения), названа реобазой. Наименьшее время, в течение которого должен действовать раздражающий стимул, величиной в одну реобазу, называется полезным временем. При очень коротких стимулах кривая силы-времени становится параллельной оси ординат. Т.е. при таких кратковременных раздражениях возбуждение не возникает, как бы ни была велика сила раздражителя. Хронаксия – это время, в течение которого должен действовать ток удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение. • Использование хронаксиметрии полезно в неврологической практике (возможность установить наличие органического поражения двигательного нерва, поскольку величина реобазы и хронаксии нервных волокон значительно меньше соответствующих величин мышечных волокон), поэтому при пороговых силах тока возбуждение прежде всего возникает в нервных волокнах и от них передается на мышцу. Следовательно, при измерении хронаксии мышцы фактически получают значения хронаксии, иннервирующих ее нервных волокон. Если нерв поврежден или перерожден, тогда раздражающий стимул выявляет хронаксию собственно мышечных волокон, которая имеет большую продолжительность. Кривая «силы – времени» -хронаксия Напряжение тока, В Хронаксия- время, в течение которого должен действовать раздражитель удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Хронаксия 2 1 б Время, мс а Обозначения: 1 - реобаза, 2 - удвоенная реобаза; а- полезное время действия тока, б - хронаксия • Любой хронаксиметр должен обладать возможностью подачи прямоугольного импульса с длительностью 1,5 – 2 сек для определения реобазы, а также импульсов различной длительности для определения хронаксии (от 0,002 до 1000 мсек). • Согласно Bourgignon, хронаксия скелетной мускулатуры человека колеблется в пределах 0,06 – 0,72 мсек. Группируется следующим образом: • I группа – проксимальные мышцы (шея, плечевой пояс, плечо, торс, тазовый пояс). • А) передние м.: 0,08-0,16 Мсек; • Б) задние м.: 0,16-0,32 Мсек; • II группа – дистальные мышцы (предплечье, кисть, икроножные мышцы, ступня, лицо). • А) передние м. 0,16-0,32 Мсек; • Б) задние м. 0,44-0,72 Мсек; При нормальном н-м аппарате устанавливаются следующие закономерности: • 1. Мышцы, участвующие в осуществлении определенного движения (синергисты), имеют одну и ту же хронаксию, т.е. они изохронны. • 2. Задние группы мышц имеют в 2-3 раза более длительную хронаксию, чем передние; хронаксия мышц, отдаленных от туловища в 2-3 раза длиннее таковой мышц, расположенных непосредственно около него. • 3. Симметричные мышцы у здорового человека характеризуются одной и той же хронаксией. • 4. Между нервом и мышцей существует изохронизм. Отклонения от этих закономерностей говорят о патологии. • Хронаксия характеризуется некоторыми физиологическими колебаниями. При действии холода и утомлении хронаксия удлиняется и наступает гетерохронизм между нервом и мышцей; во время сна хронаксия экстензоров удлиняется. • У детей до 4-х месячного возраста хронаксия проксимальных мышц конечностей несколько длиннее дистальных; к 4-5 месяцам она выравнивается и к 12-18 месяцам развиваются вышеописанные соотношения. • Виды хронаксиметрии • В зависимости от возбудимости тканей, подвергаемых исследовании: двигательная, чувствительная, зрительная, вестибулярная. • Двигательная хронаксия. С помощью умеренной силы тока определяют моторную точку, после чего устанавливают пороговую реакцию, затем удваивают реобазу, постепенно увеличивая длительность импульсов до получения такой же пороговой реакции. • Чувствительная хронаксия. В данном случае вместо определения моторного эффекта определяют при какой силе тока ребенок почувствует легкий удар; ползание мурашек или тепло на коже при раздражении тактильных, болевых или термических рецепторов. • Границы тактильной хронаксии: 0,06-0,07 Мсек; • Болевой: 0,30-3,5 Мсек; • Термической: 0,60-7 Мсек. • Вестибулярная хронаксия Активный электрод располагается на pr. mastoideus. Определяют силу, при которой возникает головокружение N 12-24 Мсек, вызывающую наклонение головы. • • • • • Диагностическое значение Нормальные величины двигательной, чувствительной и вестибулярной хронаксии говорят о хорошем состоянии нервномышечного аппарата, ЦНС, вестибулярного аппарата. Наибольшие значения имеют двигательная и чувствительная хронаксия при поражении периферической нервной системы. В первые 10 дней после травмы обычно имеются только количественные изменения. При тяжелых травмах реобаза может резко удлиняться. Через 10 дней, в зависимости от тяжести травмы и отдаленности исследуемой мышцы, постепенно хронаксия удлиняется в различной степени. Наряду с изменениями хронаксии, наступающими в пораженном нервномышечном аппарате, возникают таковые и в строго симметричных участках. Согласно данным Bourgignon, при дифтерии страдает вестибулярная хронаксия; при сывороточных интоксикациях удлиняется, прежде всего, хронаксия мышц, имеющих короткую хронаксию. При диабете затрагивается как двигательная, так и чувствительная хронаксия. Прежде всего, удлиняется двигательная хронаксия m. ext. hal. longus и чувствительные корешки S1и S2. • При наличии болевых синдромов в мышечносуставном аппарате детей и взрослых двигательная и чувствительная хронаксия укорачивается, при уменьшении болей – постепенно нормализуется. • При церебральных детских параличах и парезах, у людей с параличами вследствие поражения центральных двигательных нейронов развивается асимметрия; а мышцы, имеющие отдаленные места прикрепления, постепенно показывают более высокую реобазу и слегка удлиненную хронаксию; а мышцы, имеющие приближенные места прикрепления – обратные соотношения. Хронаксия изменяется и при миопатиях. При миотонии удлиняется хронаксия. Закон полярного действия постоянного тока: • при замыкании тока возбуждение возникает под катодом, а при размыкании - под анодом. Прохождение постоянного электрического тока через нервное или мышечное волокно вызывает изменение мембранного потенциала покоя. • Так, в области приложения к возбудимой ткани катода положительный потенциал на наружной стороне мембраны уменьшается, возникает деполяризация, которая быстро достигает критического уровня и вызывает возбуждение. • В области же приложения анода положительный потенциал на наружной стороне мембраны возрастает, происходит гиперполяризация мембраны и возбуждение не возникает. Но при этом под анодом критический уровень деполяризации смещается к уровню потенциала покоя. Поэтому при размыкании цепи тока гиперполяризация на мембране исчезает и потенциал покоя, возвращаясь к исходной величине, достигает смещенного критического уровнями возникает возбуждение. • • • • • Особенности действия постоянного тока на ткани При раздражении нерва или мышцы постоянным током возбуждение возникает в момент замыкания постоянного тока только под катодом, а в момент размыкания – только под анодом. Открыт Пфлюгером в 1859 г. Было установлено, что если на нерв воздействовать слабым постоянным током, то его возбудимость под катодом повышается, а под анодом снижается. Впоследствии Б.Ф. Вериго (1883) показал, что как повышение возбудимости под катодом, так и снижение под анодом характерно только для первоначального действия постоянного тока. При длительном действии под катодом развивается катодическая депрессия, и возбудимость снижается, становясь меньше исходной. А под анодом может возникнуть явление анодической экзальтации с повышением возбудимости. Изменение возбудимости клеток или ткани под действием постоянного электрического тока называется физиологическим электротоном. Соответственно различают катэлектрон и анэлектрон (изменение возбудимости под катодом и анодом). Закон физиологического электротона: • действие постоянного тока на ткань сопровождается изменением ее возбудимости. При прохождении постоянного тока через нерв или мышцу порог раздражения под катодом и соседних с ним участках понижается вследствие деполяризации мембраны - возбудимость повышается. В области приложения анода происходит повышение порога раздражения, т. е. снижение возбудимости вследствие гиперполяризации мембраны. Эти изменения возбудимости под катодом и анодом получили название электротона (электротоническое изменение возбудимости). Повышение возбудимости под катодом называется катэлектротоном, а снижение возбудимости под анодом - анэлектротоном. • При дальнейшем действии постоянного тока первоначальное повышение возбудимости под катодом сменяется ее понижением, развивается так называемая катодическая депрессия. Первоначальное же снижение возбудимости под анодом сменяется ее повышением - анодная экзальтация. При этом в области приложения катода происходит инактивация натриевых каналов, а в области действия анода происходит снижение калиевой проницаемости и ослабление исходной инактивации натриевой проницаемости. • • • • • • • • • • Постоянный электрический ток изменяет электрический заряд плазматической мембраны, ее ионную проницаемость и функциональные свойства (возбудимость, проводимость и т.д.) Помимо физического электрона (сдвиги электрического заряда и ионной проницаемости мембраны) выделяют: Физиологический электротон – изменения функциональных свойств мембраны при прохождении через нее постоянного электрического тока. Физиологический электротон проявляется по-разному (под анодом (+) заряд тока и катодом (-) заряд). Различают А) катэлектротон – повышение функциональных свойств мембраны под катодом; Б) анэлектротон – понижение функциональных свойств мембраны под анодом (в медицине используется для электросна). Периэлектротон - волнообразные изменения электрического и функционального состояния плазматической мембраны, создаваемые ПД (или электрическими раздражителем ткани) на участках мембраны, удаленных от места ее возбуждения. Изучен недостаточно. Предполагается, что периэлектротон является механизмом безимпульсной, неспецифической передачи информации. Проблема представляет большой интерес для науки и практики. • • • • • • • • • • • • Физиологическое действие периодического тока Организм в целом, а также различные его ткани представляют собой сложный электролитный раствор. Под влиянием постоянного электрического поля, возникающего между двумя электродами, ионы, заключенные внутри ткани, приходят в движение: Положительно заряженные – к катоду; отрицательно заряженные – к аноду. В клетках изменяется ионное соотношение – происходит разделение ионов, скопление их у полупроницаемых мембран по силовым линиям электрического поля, возникает так называемая поляризация. В клетке происходит разрыхление оболочки, и увеличивается ее проницаемость. Изменяются биофизические свойства, что способствует повышению возбудимости клетки и тканей. Энергичнее протекает обмен веществ. Неповрежденная кожа обладает большим сопротивлением для постоянного тока. Начальным местом воздействия гальванического тока на организм является кожа и заложенные в ней нервные рецепторы. Действие гальванизации вызывает не только местную реакцию на коже. • Основным механизмом действия гальванического тока является рефлекс, возникающий вследствие раздражений током заложенных в коже и в более глубоких тканях нервных рецепторов. Раздражение передается в ЦНС, в том числе через вегетативный отдел, на различные органы и системы, и проявляются изменением их кровенаполнения, обменом веществ, трофики. • Установлено, что ответные реакции на раздражение нервных рецепторов могут протекать в пределах как тех сегментов, кожа которых подвергается воздействию гальваническим током, так и более отдаленных с участием подкорковых и корковых центров. • Физиологическое действие электрофореза различных лекарственных ионов складывается из действия самого гальванического тока и фармакологического действия вводимых с его помощью ионов. • В коже под электродом, прокладка которого смочена лекарственными веществами, образуется скопление ионов. Из такого «депо» лекарственные ионы очень медленно и равномерно поступают в общий кровоток и достаточно медленно выводятся из организма. • Под влиянием самого тока повышается чувствительность организма к вводимым лекарственным веществам. Показания к применению гальванизации и электрофореза ионов лекарственных веществ: • Заболевания периферической НС, • невриты седалищного, лицевого нерва, • пояснично-крестцовый радикулит, • шейно-плечевой плексит, • полиневрит, • невралгия тройничного нерва, • невралгия бедренного нерва, • межреберная невралгия. • Функциональные и органические поражения ЦНС: неврозы, мигрень, полиомиелит, остаточные явления травмы СМ и ГМ. Используется при • хронических воспалительных процессах в суставах и внутренних органов, • хронических гастритах, • хронических холециститах, • язвенной болезни двенадцатиперстной кишки и желудка, • инфекционных и травматических артритах с целью рассасывания воспалительных очагов при остаточных явлениях травмы, замедление консолидации при переломах, при выраженном болевом синдроме. Парабиоз • Экспериментальные факты, составляющие основу учения о парабиозе, Н.В. Введенский (1901) изложил в своем классическом труде «Возбуждение, торможение и наркоз». • При изучении парабиоза, так же как и при исследовании лабильности, опыты проводились на нервно-мышечном препарате. • Н. Е. Введенский обнаружил, что если участок нерва подвергнуть альтерации (т. е. воздействию повреждающего агента) посредством, например, отравления или повреждения, то лабильность такого участка резко снижается. Восстановление исходного состояния нервного волокна после каждого потенциала действия в поврежденном участке происходит медленно. При действии на этот участок частых раздражителей он не в состоянии воспроизвести заданный ритм раздражения, и поэтому проведение импульсов блокируется. • Нервно-мышечный препарат помещался во влажную камеру, а на его нерв накладывались три пары электродов для нанесения раздражений и отведения биопотенциалов. Кроме этого, в опытах регистрировались сокращение мышцы и потенциала нерва между интактным и альтерированным участками. Если же участок между раздражающими электродами и мышцей подвергнуть действию наркотических веществ и продолжать раздражать нерв, то ответ на раздражение через некоторое время внезапно исчезает. Н.Е. Введенский, исследуя в подобных условиях действие наркотиков и прослушивая с помощью телефона биотоки нерва ниже наркотизированного участка, заметил, что ритм раздражения начинает трансформироваться за некоторое время до того, как полностью исчезнет ответ мышцы на раздражение. Такое состояние пониженной лабильности было названо Н. Е. Введенским парабиозом. В развитии состояния парабиоза можно отметить три, последовательно сменяющих друг друга, фазы: • уравнительную, • парадоксальную и • тормозную, которые характеризуются разной степенью возбудимости и проводимости при нанесении на нерв слабых (редких), умеренных и сильных (частых) раздражений. • Если наркотическое вещество продолжает действовать после развития тормозной фазы, то в нерве могут произойти необратимые изменения, и он погибает. • Если же действие наркотика прекратить, то нерв медленно восстанавливает свою исходную возбудимость и проводимость, а процесс восстановления проходит через развитие парадоксальной фазы. • В состоянии парабиоза происходит снижение возбудимости и лабильности. • Учение Н.Е.Введенского о парабиозе носит универсальный характер, т.к. закономерности реагирования, выявленные при исследовании нервно-мышечного препарата, присущи целому организму. Парабиоз есть форма приспособительных реакций живых образований на разнообразные воздействия и учение о парабиозе широко используется для объяснения различных механизмов реагирования не только клеток, тканей, органов, но и целого организма. План: • Одиночное сокращение и его фазы. Суммация сокращений и тетанусы. Оптимум и пессимум (Введенский). • Сила и работа мышц. Динамометрия. Эргография. Закон средних нагрузок. • Основные отличия в строении и функционировании скелетной и гладкой мышц. Особенности сократительной деятельности у детей. • • • • • Одиночное сокращение и его фазы. Различают 2 основных вида мышечных сокращений: одиночные и тетанические. Механический ответ мышечного волокна или отдельной мышцы на однократные их раздражения нервным импульсом или кратким толчком тока, называется одиночным сокращением. • При этом в миоплазме мышцы происходит кратковременный подъем концентарации Ca++ вн., сопровождаемый кратковременной работой - тягой мостиков, сменяющейся снова покоем. В изометрическом режиме одиночное напряжение начинается через 2 мсек. после пика ПДм, причем напряжению предшествует краткое и незначительное, так называемое латентное расслабление, создаваемое выходом Ca++ из саркоплазматического ретикулума, что приводит к потере ретикулумом тургора. • В естественных условиях мышечные волокна двигательной единицы и скелетная мышца в целом работают в режиме одиночного сокращения только в том случае, когда длительность интервала между последовательными импульсами мотонейрона равна или превышает длительность одиночного сокращения иннервируемых им мышечных волокон. Механограммы мышечных сокращений Анализ одиночного мышечного сокращения Действующий раздражитель Латентный период Фаза расслабления Фаза укорочения Время, 0,01 с • Соотношение фаз возбудимости, ПД и сокращения. • При нанесении одиночного порогового и сверхпорогового раздражения на мышцу, мышца сокращается, а затем расслабляется, то есть наблюдается одиночное сокращение мышц. • Имеет место ряд последовательных явлений: • после нанесения раздражения сокращение мышцы наступает не сразу, а через некоторый интервал 2,5 мсек. (латентный период). • Реакция мышцы на раздражение начинается с генерации ПД продолжительностью 3-5 мсек. и в это же время • начинается сокращение мышцы, приблизительно 50 мсек. (фаза сокращения), • затем следует фаза расслабления, по продолжительности либо равна или может быть несколько больше фазного сокращения. Длительность зависит от морфофункциональных свойств. • Так, у наиболее быстро сокращающихся волокон глазных мышц фаза напряжения равна 7-10 мсек., а у медленных волокон камбаловидной мышцы равна 50-100мсек. • Возбудимость мышц в ходе одиночного сокращения меняется. • Во время развития ПД, т.е. в начале сокращения мышцы наступает абсолютная рефрактерная фаза (состояние невозбудимости, длительностью 3-5 мсек.). • За ней следует фаза относительной рефрактерности, а затем • возникает фаза повышенной возбудимости (примерно 20 мсек.). • Длительность этих периодов различна у животных разных видов и зависит от функционального состояния нервномышечного аппарата. • Тетанус и его виды • Суммация сокращений и тетанус возникают в том случае, если на мышцу наносится не одно, а несколько раздражений с определенным интервалом времени. • Рассмотрим пример: • Если интервал между раздражениями будет больше длительности одиночного сокращения (больше 100 мсек.), то зарегиструются 2 одиночных сокращения. Уменьшая интервал между раздражениями от 100 до 50 мсек • ( частота 10-20 Гц), т.е. второе раздражение будет наноситься в фазу расслабления и амплитуда сокращения мышцы на второе раздражение будет больше, т.к. второе сокращение возникает тогда, когда мышца еще не успела полностью расслабиться, т.е. происходит суммация сокращений. При этом на миограмме регистрируется две вершины. • Если интервал между раздражениями меньше 50 мсек • (частота более 20 ГЦ), то второе раздражение воздействует на мышцу в конечный период фазы сокращения и произойдет полное слияние двух сокращений. Однако это будет наблюдаться до тех пор, пока интервал между раздражениями превышает длительность возникающего перед сокращением ПД, т.к. во время его развития резко падает возбудимость (фаза абсолютной рефрактерности.) и на второе раздражение, следующее с интервалом менее 5 мсек. • (частота более 200 Гц) - не реагирует. • Зубчатый тетанус • Развивается на ряд последовательных раздражений, интервал между которыми больше, чем длительность фазы сокращения мышцы. • Гладкий тетанус • Возникает тогда, когда интервал между раздражениями меньше длительности фазы сокращения, но больше чем продолжительность потенциала действия. • У разных мышц длительность фаз одиночного сокращения неодинакова, а, следовательно, частота стимуляции или естественного возбуждения мышцы для получения тетанического сокращения различны. • Тетанус характеризуется слиянием одиночных мышечных сокращений в непрерывное укорочение мышцы, которое по амплитуде превышает уровень, достигаемый при одиночном сокращении. • В случае гладкого тетануса после нескольких первых импульсов последующие ответы мышечных волокон не изменяют достигнутого напряжения, а лишь поддерживают его. В подобном режиме двигательные единицы мышц человека работают при развитии максимальных изометрических усилий. При гладком тетанусе развиваемое двигательными единицами напряжение в 2-4 раза больше, чем при одиночных сокращениях. • В режиме тетанического сокращения мышца способна работать лишь короткое время. Это объясняется тем, что из-за отсутствия периода расслабления она не может восстановить свой энергетический потенциал и работает как бы « в долг». Суммация одиночных мышечных сокращений Механизм суммации одиночных мышечных сокращений Суммация сокращений Одиночное сокращение 2 Одиночное сокращение 1 Действующие раздражители 1 2 Время, 0,01 с Зубчатый тетанус Гладкий тетанус Сокращение мышцы в зависимости от частоты раздражения Свыше 100 раздражений / c До 35 раздражений / c До 25 раздражений / c До 20 раздражений / c Одиночное сокращение • В естественных условиях мышечные волокна, двигательные единицы и скелетная мышца в целом работают в режиме одиночного сокращения только в том случае, когда длительность интервала между последовательными импульсами мотонейрона равна или превышает длительность одиночного сокращения иннервируемых им мышечных волокон. • Так, режим одиночного сокращения медленных волокон камбаловидной мышцы человека обеспечивается при частоте импульсации мотонейрона менее 12 импульсов в секунду, а быстрых волокон глазодвигательных мышц – при скорости импульсации мотонейрона менее 50 импульсов в секунду. • Гладкий тетанус для быстрых и медленных мышц достигается при разных частотах импульсации мотонейронов. Зависит это от времени одиночного сокращения. Так, гладкий тетанус для быстрой глазодвигательной мышцы проявляется при частоте свыше 150-200 импульсов в секунду, а у медленной камбаловидной мышцы – при частоте около 30 импульсов в секунду. • Оптимум и пессимум ( Введенский) • Высокие частоты раздражения, вызывающие уменьшение сокращения мышцы, Введенский назвал пессимальными частотами раздражения, а ответ мышцы на это раздражение - пессимальным сокращениям. Уменьшение частоты стимуляции тотчас приводит к восстановлению высокого уровня тетанического сокращения. • Чтобы разбираемая ситуация имела конкретные числовые выражения, что облегчит понимание, условно определим интервалы временной продолжительности • Рассмотрим фазы: аболютная рефрактерность=5 мсек. • относительная рефрактерность от 5-10 мсек. • супернормальная. возбудимость от 10 до 40 мсек • Отсюда можно рассчитать частоту ритма раздражения, при котором импульсы раздражающего тока будут совпадать с той или иной фазой возбудимости. • Расчет показывает, что • при раздражении с частотой ритма 200 импульсов/сек многие импульсы тока будут действовать на ткань, когда она находится в состоянии абсолютной рефрактерности и не способна отвечать на них и, следовательно, они будут неэффективными, а ритм раздражения подвергается трансформации в более медленный ритм возбуждения. Если подобное возникает при исследовании сократительной способности мышц, то в этих условиях степень сокращения мышц будет меньше, чем при раздражении тока меньшей частоты. • При увеличении интервала между раздражениями от 5 до 10 мсек.( от 200 до 100 импульсов в секунду), каждое следующее раздражение будет наноситься в фазу относительной рефрактерности. В этом частотном интервале выявляется наивысшая частота, которая способна воспроизводиться исследуемой структурой без искажения ритма, что соответствует лабильности данной структуры. • Последующее увеличение интервала между раздражениями от 10 до 40 мсек.( частоты от 100 до 25 импульсов в секунду) создает условия, когда каждое раздражение приходится на фазу супернормальной возбудимости, что благоприятствует возникновению возбуждения, и при этом можно ожидать максимального сокращения мышцы. Частота, которая вызывает максимальный сократительный эффект, была названа Введенским оптимальной частотой раздражений, а сокращение - оптимальным. • Изменяя силу раздражений при их фиксированной частоте, Введенский показал, что оптимум и пессимум сокращения зависят и от силы раздражения. • Сила и работа мышц. Динамометрия. Эргография. Закон средних нагрузок • Сила, развиваемая мышцей или пучком мышечных волокон, является суммой сил отдельных волокон. Чем толще мышца и больше ее «физиологическая S» поперечного сечения (физиологическая сумма S поперечного сечения отдельных волокон), тем сильнее мышца. Так, например, при мышечной гипертрофии сила и толщина мышцы возрастают в одинаковой степени. • Мышечная сила зависит не только от активирующего влияния со стороны ЦНС, но также определяется внешними механическими условиями, при которых работает мышца. • Итак, сила мышцы оценивается весом груза, который она при максимальном возбуждении способна удерживать не меняя своей длины. • Сила мышцы зависит от: • суммы сил мышечных волокон ( их сократительной способности) • количества мышечных волокон в мышце и количества функциональных единиц, одновременно возбуждающихся при развитии напряжения • исходной длины мышцы (предварительно растянутая мышца • развивает • большую силу) • характера регулятивных явлений • условий взаимодействия мышцы с костями скелета • В организме человека скелетные мышцы передают силу костям скелета через посредство эластических, обладающих растяжимостью структур- сухожилий. Во время развития силы возникает тенденция к укорочению мышцы и, следовательно, к растяжению и развитию напряжения эластических структур, прикрепляющих мышцы к костям. • Мышечное сокращение, когда длина мышцы уменьшается с увеличением ее силы, наз. ауксотоническим сокращением. Максимальная ауксотоническая сила гораздо меньше, чем сила сокращения, развиваемого мышцей при постоянной длине, то есть при изометрическом сокращении. • Сила изометрического сокращения и длина мышцы • В состоянии расслабления мышца, удерживаемая при «длине покоя» путем фиксации обоих ее концов, не развивает силу, которая передавалась бы на держатель. Однако, если один конец потянуть чтобы волокна растянулись в мышце развивается пассивное напряжение. • Таким образом, покоящаяся мышца эластична, в отличие от резиновой полоски ее напряжение не возрастает линейно при напряжении. • Отложив измеряемую силу в зависимости от длины в прямоугольной системе координат, получим график длина- напряжение для покоящейся мышцы, т.е. кривую напряжения покоя. • Кривая нарастает тем круче, чем больше степень растяжения мышцы. • Следовательно, модуль эластичности покоящейся мышцы возрастает с растяжением. Эластичность свойственна главным образом растяжимым структурам, которые располагаются параллельно по отношению к сократительным миофибриллам, к ним относятся • сарколемма, окружающая мышечное волокно, • продольная система саркоплазматического ретикулума, • элементы соединительной ткани между волокнами. • В отличие от этих структур миофибриллы в расслабленном состоянии практически не оказывают сопротивления растяжению, актиновые и миозиновые нити не связаны поперечными мостиками и могут легко передвигаться друг относительно друга. • Степень предварительного растяжения определяет не только величину пассивного эластического напряжения покоящейся мышцы, но и величину дополнительной силы, которую может развивать мышца в случае ее активации при данной исходной длине. Изометрический прирост силы во время сокращения суммируется с пассивным напряжением покоящейся мышцы. Пассивные эластические силы растянутых продольных трубочек и сакролеммы суммируются с активными сократительными силами миофибрилл. • Сократительная способность мышцы характеризуется ее абсолютной силой (сила, приходящаяся на 1 см 2 поперечного сечения мышечных волокон). • Показатель рассчитывается так: • Силу мышцы • S ее физиологического поперечника (т.е. сумму S всех мышечных волокон мышцы). • У перистых мышц физиологический поперечник больше, чем у II волокнистых, и поэтому их сила больше. • Абсолютная сила мышц (в кг на 1 см) у человека: • Икроножная- 6, 24; • Разгибательная шеи – 9.0; • Жевательная- 10,0 • Трехглавая- 16,8 • Одиночное мышечное волокно способно развить усилие в 20-30 тонн. • ЦНС изменяет силу сокращения мышцы путем изменения количества одновременно участвующих в сокращении функциональных единиц, а также частоты поступающих к ним импульсов. Симпатическая НС увеличивает силу сокращений. • Работа мышцы • Измеряется произведением поднятого груза на величину укорочения мышцы. • Между грузом, который поднимает мышца и выполняемой ею работой существует зависимость. • Внешняя работа мышцы равна 0, если мышца сокращается без нагрузки. • По мере увеличения груза работа вначале увеличивается, а затем постепенно уменьшается. • При очень большом грузе, который мышца неспособна поднять, работа равна 0. • Внешняя механическая работа мышцы (А) возможна только в изотоническом режиме работы с грузом при условии, что вес груза меньше общей силы мышцы. В этом случае сократительный аппарат сначала растягивает и напрягает эластический элемент – сухожилие, а затем поднимает подвешенный к нему груз. • Внешняя механическая работа мышцы максимальна при средних нагрузках. Это называется законом средних нагрузок. • Наибольшую работу мышца совершает при некоторых средних нагрузках. В данном случае 200-250 г. • Мощность мышцы, измеряемая величиной работы в единицу времени, также достигает максимальной величины при средних нагрузках. • Работа мышцы, при которой происходит перемещение, волокна развивают напряжение, но почти не укорачиваются (мышца при этом сокращается в изометрическом режиме) называется статической. • Статическая работа более утомительна, чем динамическая • В процессе двигательной деятельности динамические и статические мышцы сокращения взаимодействуют. • Например, при более динамическом сокращении мышцы могут эффективно выполнять свою функцию, если статическое напряжение других мышц обеспечивает сохранение покоя. • Динамометрия – метод измерения мышечной силы. Эргография – метод определения мышечной работоспособности. • Регистрирует работу группы мышц, совместно выполняющих данные движения. Так, эргограф Моссо записывает движения нагруженного пальца и общего разгибателя всех пальцев руки. Форма кривой утомления и величина произведенной работы широко варьируют у разных людей и зависят от разнообразных факторов внешней среды. • Функциональные особенности гладких мышц • Гладкие мышцы находятся в стенках внутренних органов и кровеносных сосудов. Регуляция их тонуса и сократительной активности осуществляется эффективными волокнами симпатической и парасимпатической НС, а также местными гуморальными и физическими воздействиями. • Сократительный аппарат гладких мышц, как и скелетных, состоит из толстых миозиновых и тонких актиновых нитей. Вследствии их нерегулярного распределения клетки гладких мышц не имеют характерной для скелетной и сердечной мышцы поперечной исчерченности. • Гладкомышечные клетки имеют веретенообразную форму, l = 500-400 мкм. и толщину 2-10 мкм. Отделены друг от друга узкими щелями (60-150 нм). • Возбуждение электротонически распространяется по мышце от клетки к клетке через особые контакты (нексусы) между плазматическими мембранами соседних клеток. • Гладкая мышца с морфологической точки зрения является не истинным, а функциональным синцитием. Клетки в гладкой мышце расположены хаотично, неравномерно, иногда они собраны в пучки или тяжы. Их окружает соединительная ткань. Волокна гладких мышц • сокращаются в результате относительного скольжения миозиновых и атктиновых нитей, но скорость их сокращения и скорость расщепления АТФ в 100-1000 раз меньше, чем в скелетных мышцах. • Гладкие мышцы хорошо приспособлены к длительному тоническому сокращению без развития утомления. • При этом их энерготраты крайне невелики. • По функциональным особенностям гладкие мышцы подразделяются – на мышцы, обладающие и – не обладающие спонтанной активностью. Гладкие мышцы, обладающие спонтанной активностью • способны сокращаться и при отсутствии прямых возбуждающих нервных и гуморальных воздействий( например, ритмические сокращения гладких мышц кишечника). • ПП таких клеток постоянно спонтанно колеблются в пределах 30-70 мВ («дрейф»). При снижении потенциала покоя до критического уровня возникает потенциал действия, вызывающий сокращение мышечного волокна. • Длительность ПД гладкомышечных волокон намного больше, чем у волокон поперечно-полосатой мускулатуры (несколько сек.) • Продолжительность самого сокращения также превышает несколько секунд. • Особенно медленно протекает расслабление. • Возбуждение распространяется со скоростью 2-10 см/сек, т.е. меньшей, чем по скелетной мышце. Спонтанная активность гладкомышечных клеток связана с их растяжением, вызывающим деполяризацию мембраны мышечных клеток серии импульсов с последующим сокращением. • Гладкие мышцы, не обладающие спонтанной активностью сокращаются под влиянием импульсов вегетативной НС. Так, в отличие от мышц кишечника, мышечные клетки артерий, семенных протоков и радужки обладают слабой спонтанной активностью, или вообще не проявляют ее. • Отдельные нервные импульсы не способны вызвать пороговую деполяризацию таких клеток и их сокращения. ПД волокна с последующим сокращением возникает лишь при поступлении к нему серии импульсов с частотой 1 импульс в секунду и выше. • Возбуждение передается от одной клетки к последующим через плотные контакты их мембран. Электромеханическое сокращение • Сокращение гладкомышечной клетки возникает в ответ на развитие в ней ПД. Возбуждение клетки вызывает увеличение входа Ca ++ через мембрану клетки и их освобождение из внутриклеточных хранилищ, следовательно, повышается концентрация Ca++ в саркоплазме, следовательно, активируются сократительные структуры. • Ионы Ca2+ вместе с кальций связывающих белком кальмодулином активируют фермент (киназу легких цепей миозина), который переносит фосфатную группу АТФ на миозин, инициируя взаимодействие актина с миозином, а следовательно, и сокращение. • Гладкие мышцы расслабляются, если концентрация Ca 2+ снижается ниже 10–8 моль на литр. • В связи со слаборазвитым саркоплазматическим ретикулумом и медленным переносом Ca2+ через мембрану клетки, расслабление происходит гораздо медленнее, чем в поперечно - полосатой мышце, т.к. дефосфолирированные головки миозина теряют способность образовывать поперечные мостики с актином. • • • • • • • • • • • Особенности сократительной активности гладких мышц Скрытый период значительно больше (кишечник кролика 0.25-1 сек). Длительность самого сокращения велика (желудок кролика – 5 сек). Волна сокращения распространяется медленно и стой же скоростью, что и волна возбуждения (2-10 см/сек). Медлительность сокращения сочетается с большей силой. Тетанус возникает при редких ритмических раздражениях (10-12), энергетические расходы при этом малы. Автоматия миогенной природы обусловлена развитием медленной спонтанной деполяризации в клетках водителя ритма. Эффект раздражения главной мышцы зависит от частоты стимуляции и собственной частоты спонтанной ритмики. Пластичность. Высокая чувствительность к химическим веществам. Потенциал покоя ниже 50 мВ. Потенциал действия меньше (10-20 мВ больше потенциала покоя). Возбудимость ниже возбудимости поперечно-полосатой мышечной ткани определяется величиной МП и может значительно меняться под влиянием механических и химических факторов. • Особенности нервной системы у детей( особенности сократительной деятельности) • Созревание центральных и периферических структур, составляющих основу для движения ребенка ко времени его рождения не вполне завершено: • периферические спинномозговые нервы новорожденных по сравнению со взрослыми тонки. Миелинизация проводников, за исключением пирамидного и оливоспинального путей, интенсивно протекает до 3-8 мес. Миелинизация двух последних начинается в 2-3 мес. И заканчивается к 3-4 годам. • мышцы относительно мало развиты. Основная их масса приходится на мышцы туловища. Содержание сократительных белков в них в два раза меньше, чем у детей старшего возраста и взрослых. Отсутствует разница между быстрыми и медленными двигательными единицами. Потенциал действия мышечных волокон имеет большую длительность и меньшую амплитуду при низкой скорости проведения возбуждения. • В мышцах содержится фетальный миозин, обладающий низкой АТФ – азной активностью. • У новорожденного преобладает тонус мышц-сгибателей, характерна общая физиологическая гипертензия мышц. Во время сна мышцы не расслабляются, что обеспечивает термогенез и стимулирует развитие мышцы. • Все вышеизложенное объясняет особенности двигательных и тонических реакций в раннем детском возрасте: • физиологический гиперкинез – беспрерывные, беспорядочные общие движения конечностей, туловища и головы. Координированные ритмические сгибания и разгибания сменяются диффузными и аритмичными движениями. • Периоды двигательной активности преобладают над периодами полного покоя. • Происходит постоянное развитие локомоторных функций – если новорожденный беспомощен, то к 3 годам завершается формирование общих двигательных навыков и автоматизмов. План: • Физиология нерва. Нейрон как структурно - функциональная единица ЦНС. • Механизм распространения возбуждения по безмиелиновым волокнам и миелиновым волокнам. • Классификация нервов. • Характеристика возбудимости нервов. • Законы проведения возбуждения по нервному волокну. • Скорость проведения нервного импульса. • Электронейрография. • Физиология нерва. Нейрон как структурно – функциональная единица ЦНС. • Структурной и функциональной единицей ЦНС является нейрон. Это – специализированные клетки, способные • принимать, • обрабатывать, • кодировать, • передавать и • хранить информацию, • реагировать на раздражение, • устанавливать контакты с другими нейронами, клетками органов. • Уникальные особенности нейрона • способность генерировать электрические разряды и • наличие специализированных окончаний – синапсов, служащих для передачи информации. • Функционально нейрон состоит из следующих частей: • Воспринимающей – дендриты, мембрана сомы нейрона; • Интегративной – сома с аксонным холмиком; • Передающей – аксонный холмик с аксоном. • Роль различных органелл клетки • Рибосомы располагаются вблизи ядра и осуществляют синтез белка на матрицах трансмембранной РНК • Тигроид содержит РНК и участвует в синтезе белковых компонентов клетки • Аппарат Гольджи – окружает ядро в виде сети, участвует в синтезе нейросекреторных и других физиологически активных соединений клетки • Лизосомы – обеспечивают гидролиз в нейроне. • Митохондрии – обеспечивают энергетические потребности нейрона. Их количество возрастает при активной деятельности. • Микротрубочки ≈100 тыс в нейроне, пронизывают сому и функционально связаны с хранением и передачей инф в нейроне. • Ядро содержит генетический материал, контролирует дифференцировку клетки, ее конечную форму, регулирует синтез белка нейрона в течение всей его жизни. По химической характеристике выделяемых в окончаниях аксонов веществ выделяют: • холинэргические • пептидэргические • норадренэргические • дофаминэргические • серотонинэргические Нейроны подразделяются в зависимости от чувствительности к разным раздражителям. • Делят на моно-, би- и полисенсорные. • Моносенсорные нейроны располагаются чаще в первичных проекционных зонах коры и реагируют только на сигналы своей модальности (значит. часть нейронов первичной зрит. коры реагируют только на световые раздражения сетчатки глаза). • Бисенсорные нейроны располагаются преимущественно во вторичных зонах коры анализатора и могут реагировать как на сигналы своей, так и на сигналы др. модальности. (Напр. Нейроны вторичной зрительной коры реагируют как на зрит, так и на слуховые раздражения. • Полисенсорные нейроны - это чаще всего нейроны ассоциативных зон мозга. Способны реагировать на раздражение слуховой, зрительной, кожной и др. анализаторных систем. Виды активности нейронов • Нервные клетки разных отделов НС могут раздражаться • при отсутствии сенсорных раздражителей - спонтанноактивные ~ 3% в коре. • Существуют также молчащие нейроны, реагирующие импульсами только в ответ на какое-либо раздражение. Распространение возбуждения по безмякотным нервным волокнам • Исследованиями установлено, что в безмякотных волокнах местные токи могут проходить практически через любой участок мембраны, т.к. шванновские клетки не оказывают заметного влияния на электрические свойства их мембран. • При распространении возб-я местные токи вызывают последовательную непрерывную деполяризацию до критического уровня с последующей генерацией ПД на всѐм протяжении волокна. Такое проведение возбуждения называется непрерывным, при этом местные токи, проходя через значительную S поверхности мембраны очень быстро затухают. Const длины «а» и V распространения возб-я по сравнению с миелиновыми невелики. • Скорость распространения возб-я по безмякотным волокнам тем выше, чем больше d волокна. • Распространение возб-я по мякотным нервным волокнам • Мякотные нервные волокна имеют длину от 1 до 22 мкм и возб-е распространяется со скоростью от 3 до 120 м/с. Осевой цилиндр мякотных волокон имеет миелиновую оболочку, состоящую из шванновских клеток, которая прерывается в перехватах Ранвье. Длина участков волокна между перехватами равна от 0.5 до 2 мм и зависит от длины волокна, возраста и вида организма. У нервных волокон, имеющих больший диаметр, расстояние между перехватами Ранвье больше. • Миелин обладает свойствами изолятора, поэтому участки волокна, покрытые миелином оказывают сопротивление в 10 и 100 раз большее, чем в перехватах Ранвье. • Благодаря особенностям своей структуры, миелинизированные нервные волокна проводят ПД очень быстро. Создаются предпосылки для возникновения качественно нового сальтаторного типа проведения возб-я, т.е. при сдвиге МП ток, по существу, не идет через мембрану межперехватных участках, и ПД от одного перехвата Ранвье к соседним перехватам распространяется через межперехватные участки электротонически и почти без декремента. • Время проведения через межперехватные участки практически = 0 – возбуждение перескакивает от одного перехвата к следующему. Задержка проведения происходит только в перехватах, где электротонический потенциал должен достичь порога и вызвать возбуждение. • Мембрана перехвата специализирована для генерации возбуждения: плотность Na+ каналов здесь ≈ в 100 раз выше, чем в немиелинизированных нервных волокнах =» при сальтаторном распространении возбуждения ПД как бы перескакивают через участки волокна, покрытые миелином, от одного перехвата Ранвье к другому. • V затухания местных токов у мякотных волокон выражена значительно слабее, чем у безмякотных, т.к. они проходят не через всю поверхность мембраны волокна, а только через участки, ограниченные перехватами Ранвье. Т.е. у мякотных волокон местные токи распространяются на большие расстояния, чем у безмякотных. • Const длины и v распространения возбуждения у мякотных волокон пропорциональны d волокна, а не √d – как у безмякотных. • Мякотные волокна имеют сравнительно и более высокий фактор надежности. ПД способны перескакивать не только от перехвата к перехвату, но и через 2-3 и даже 5 перехватов. У них более быстро нарастает и амплитуда ПД. • Т.о. мякотные волокна и присущее им сальтаторное проведение возбуждения обеспечивает • не только высокую v распространения возбуждения, а =» и быстроту реакции, но и • огромное число каналов информации сенсорных и двигательных процессов при суммарном объеме проводящих путей. • Кроме того, сальтаторное проведение более экономично. • • • • • • Классификация нервов В настоящее время нервные волокна по v проведения возбуждения, длительности различных фаз ПД и строению принято делить на 3 основных типа, обозначаемых А, В, С. • Волокна типа А делятся на 4 подгуппы £, ß, ġ, ð. Покрыты миелиновой оболочкой. • К волокнам типа В относятся миелинизированные, преимущественно преганглионарные волокна ВНС. • К волокнам типа С относятся безмякотные нервные волокна малого d. Тип волокон d волокн а V м/с Длительн. Пика ПД мсек Длительн. следовой деполяр Длительн. Следов гиперпол функции А£ 12-22 70-120 0,4 – 0,5 15-20 40-60 Моторные волокна скелетных мышц, аффер волокна от мышечных рецепторов Аß 8-12 40-70 0,4-0,6 - - Аффер волокна от прикосновения Аġ 4-8 15-40 0,5-0,7 - - Аффер волокна от рец прикосновения и давления, эффер волокна мышечным органам Аð 1-4 5-15 0,6-1,0 - - Аффер волокна от некоторых рецепторов тепла, давления, боли В 1-3,5 3-18 1-2 - 100-300 Преганглионарные вегетативные волокна С 0,5-2,0 0,5-3 2,0 50-80 300-1000 Постганглионарные волокна вегетативные, аффер волокна то некоторых рец тепла, давления, боли. рец • Законы проведения возбуждения по нервному волокну • При изучении проведения возбуждения в нервных волокнах установлено несколько правил протекания этого процесса. • Закон физиологической непрерывности • Проведение импульсов по нервным волокнам возможно лишь при условии их физиологической непрерывности, т.е. анатомической и физиологической (функциональной) целости возбудимой мембраны осевого цилиндра. Поэтому как перерезка нервных волокон, так и любое воздействие, нарушающее целость мембраны осевого цилиндра (перевязка нерва, чрезмерное натяжение нервн волокон) создают непроводимость. Непроводимость наступает также при воздействиях, нарушающих генерацию нервного импульса. Так, чрезмерное охлаждение или согревание, нарушение кровоснабжения, различные хим агенты, местные обезболивающие (новокаин, дикаин) нарушают функциональную целостность мембраны и прекращают проведение импульсов по нерву. • Закон двустороннего проведения При нанесении раздражения на нервное волокно возбуждение распространяется по нему двусторонне, в центробежном и центростремительном направлении. Опыт: К нервному волокну двигательному или чувствительному, прикладывают 2 пары электродов, связанных с 2 электроизмерительными приборами. Раздражение наносят между этими электродами. В результате приборы зарегистрируют прохождение импульса под обоими электродами. • Закон изолированного проведения В нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т.е. не переходя с одного волокна на другое и оказывая действие только на те кл, с которыми контактируют окончания данного нервного волокна. Это важно, поскольку каждый периферический нервный ствол, включая в свой состав большое число нервных волокон – двигательных, чувствительных и вегетативных, иннервирует разные, иногда далеко отстоящие др от др и разнородные по структуре и функциям кл и ткани (например, n vagus иннервирует все органы грудной, значительную часть органов брюшной полостей, седалищный нерв иннервирует всю мускулатуру, костный аппарат, сосуды и кожу нижней конечности). Если бы возб-е переходило внутри нервного ствола с одного нервного волокна на другое, то в этом случае нормальное функционирование периферических органов и тканей было бы невозможно. Опыт со скелетной мышцей, иннервированной смешанным нервом, в образовании которого участвуют несколько СМ корешков: если раздражать один из этих корешков, сокращается не вся мышца, а только те группы мышечных волокон, которые изолированы раздражаемым корешком. • V проведения по двигательным нервам увеличивается с возрастом • Нормальными считаются: • У новорожденных доношенных – не менее 20 м/с • От 6 до 12 мес – выше 30 м/с • У 1 – 2 летних – выше 35 м/с • У детей 2 -3 лет – выше 40 м/с • У 3 -5 лет – выше 40 м/с • В возрасте старше 5 лет не отличается от взрослых, варьируя от 40 до 75 м/с. • Отдельные нервы характеризуются небольшими различиями в v проведения (наибольшую v имеет n. ulnaris, наименьшую n. tibialis). • V проведения замедлена при: • -травматическом поражении нервов • -остром инфекционном полирадикулоневрите • -невральной аммотрофии • -лейкодистрофии. • V проведения по периферическим нервам не изменяется или незначительно снижена: • -при спинальной аммотрофии • -полиомиелите • -токсическом полиневрите. План: • Физические и физиологические свойства мышц. • Микростроение скелетного мышечного волокна. • Современная теория мышечного сокращения. • Биоэлектрические, химические и тепловые процессы в мышцах. • Двигательные единицы. • Физиологические свойства мышц • Поперечно-полосатые мышцы являются активной частью опорно-двигательного аппарата, обеспечивая: • передвижение организма в пространстве • перемещение частей тела друг относительно друга • поддержание позы • результат мышечного сокращения-выработка тепла • Обладают 3 основными свойствами: • возбудимостью, т.е. способностью отвечать на раздражитель изменением ионной проницаемости и мембранного потенциала; • проводимостью – способностью к проведению ПД вдоль всего волокна; • сократимостью, т.е. способностью сокращаться или изменять напряжение при возбуждении. • Типы сокращения мышц • изотоническим называется сокращение мышцы, при котором ее волокна укорачиваются, но напряжение остается постоянным при постоянной внешней нагрузке. В реальных условиях практически отсутствует. • изометрическим называется такое сокращение, при котором мышца укоротиться не может, т.е. когда оба конца неподвижно закреплены. • Длина мышечных волокон остается неизменной, а напряжение их по мере развития сократительного процесса возрастает. Изометрическое сокращение лежит в основе статической работы. • ауксотонический или анизотонический тип – это режим, в котором мышца развивает напряжение и укорачивается. • Именно такие сокращения имеют место при локомоциях – ходьбе, беге. • Изотонический и анизотонический типы сокращения лежат в основе динамической работы локомоторного аппарата человека. При динамической работе выделяют: • концентрический тип сокращения – когда внешняя нагрузка меньше, чем развиваемое мышцей напряжение. При этом она укорачивается и вызывает движение. • эксцентрический тип сокращения – когда внешняя нагрузка больше, чем напряжение мышцы. В этих условиях мышца, напрягаясь, все же растягивается (удлиняется), совершая при этом отрицательную (уступающую) динамическую работу. Нейромоторная единица Нейромоторная, или двигательная, единица состоит мотонейрона и группы мышечных волокон, которые он иннервирует. Число мышечных волокон нейромоторной единицы зависит от функциональных свойств мышцы. Мышцы Движения глаз Пальцев рук Двуглавая Камбаловидная Число мышечных волокон Выполняемая функция Менее 10 Быстрые, высокоточные движения 1 – 10 Быстрые, высокоточные движения 750 Медленные, длительные статические сокращения 2000 Медленные, длительные статические сокращения Схема строения нейромоторных единиц Нейромоторные единицы обеспечивают дозированную регуляцию мышечных сокращений по силе и продолжительности. Сила мышцы возрастает при одновременной работе многих мотонейронов. Попеременное включение в работу различных нейромоторных единиц увеличивает продолжительность сокращения мышцы без признаков ее утомления. Спинной мозг Аксоны мотонейронов Мотонейроны Обозначения состояния 1 2 мышечных волокон нейромоторных единиц одной и той же мышцы : 1- волокна расслаблены; 2- волокна сокращены. Мышцы, классификация и функциональные особенности Мышцы преобразуют химическую энергию питательных веществ в механическую энергию. Классификация скелетных мышечных волокон Медленные фазические волокна окислительного типа Быстрые фазические волокна окислительного типа Быстрые фазические волокна гликолитического типа Тонические волокна. Нейромоторные единицы состоят из многих мышечных волокон. Содержит миоглобин. Утомляются медленно. Функция - поддержание позы. Содержат миоглобин и большое количество митохондрий. Выполняют быстрые сокращения без признаков утомления. Образует энергию за счет гликолиза. Содержат мало митохондрий. Развивают быстрое и сильное сокращение и быстро утомляются. Сокращение и расслабление происходят медленно. Работают в изометрическом режиме. Не подчиняются закону «все или ничего». Двигательные единицы и их типы ДЕ Х-ка Медленные, неутомляемые Быстрые, устойчивые к утомлению Быстрые, легко утомляемые 1.Особенности мотонейрона. 2.Скорость проведения возбя. 3.Скорость разрядов. 4.Длительность работы. 5.развиваемая сила и ее величина. 6. Скорость сокращения. 7.Особенности кровоснабжения. 1.Наименьшие величины мотонейронов, низкие пороги их активации, меньшая толщина и скорость проведения. 2.Аксон иннерв. небольшую гр. мыш. волокон. 3.Низкая частота разрядов 6-10. 4.Функционируют при малых мышечных усилиях мотонейрона, способны поддерживать постоянную частоту разрядов в течение десятков минут. 5.Мышечные волокна развив. небольшую силу при сокращении в связи с наличием меньшего количества миофибрилл. 6.Скорость сокращения в 1,5-2 раза меньше, чем быстрых, за счет низкой активности миозин АТФ-азы и меньшей скорости выхода Ca++ из саркоплазм. ретикулума. 7.Мышечные волокна малоутомляемы. Обладают развитой капиллярной сетью, значит во время сокращения обеспечивают достаточное количество О2, что обеспечивает большую аэробную выносливость мышечных волокон. По морфофункциональным свойствам занимают промежуточное положение. Сильные, быстрые сокращающиеся волокна, обладают большой аэробной выносливостью, способны использовать для получения энергии как аэробные, так и анаэробные процессы. 1.Мотонейтроны наиболее крупные, иннервируют большую группу мышечных волокон. 2.Обладают высоким порогом возбуждения, и большой скоростью проведения. 3.Скорость импульса мотонейрона = 25-50 имп./с 4.Не способны в течение долгого времени поддерживать устойчивую частоту разрядов, т.е. быстро утомляются. 5.Мышечные волокна содержат большее число сократительных элементовмиофибрилл, значит, при сокращении развивают большую силу. 6.Скорость сокращения выше, благодаря высокой АТФазной активности. 7.Содержат больше гликолитических ферментов, меньше митохондрий и миоглобина, окружены меньшим количеством капилляров. Миофибриллы с саркоплазматическим ретикулумом (по Дж. Бендоллу, 1970) Саркомеры С ретикулом Без ретикулома Мембрана Поперечная система ретикулума Миозин Концевые цистерны триад Актин Саркоплазма Обозначения: А- анизотропный диск; I- изотропный диск; Н и Z- пластины Строение и функция мышечного волокна Мышечные волокна состоят из саркомеров, отделенных друг от друга мембраной Z, а также изотропных (I) и анизотропных (A) дисков A I H Z I Z A I A H Z H Саркомер Сокращение и расслабление мышечных волокон возникает при скольжении актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) нитей. Это изменяет длину саркомера и как следствие – длину мышечного волокна. I Z I A I A H Z H Расслабление I A Z I H Z Сокращение H Механизм мышечного сокращения • В настоящее время принято считать, что биохимический цикл мышечного сокращения состоит из 5 стадий: • 1) миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Н3РО4, но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Поэтому данный процесс носит скорее стехиометрический, чем каталитический, характер (рис. а); • 2) содержащая АДФ и Н3РО4 миозиновая «головка» может свободно вращаться под большим углом и (при достижении нужного положения) связываться с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90° ( б); • 3) это взаимодействие обеспечивает высвобождение АДФ и Н3РО4 из актин-миозинового комплекса. Актомиозиновая связь имеет наименьшую энергию при величине угла 45°, поэтому изменяется угол миозина с осью фибриллы с 90° на 45° (примерно) и происходит продвижение актина (на 10–15 нм) в направлении центра саркомера ( в); Механизм мышечного сокращения • 4) новая молекула АТФ связывается с комплексом миозин–F-актин (рис. г); • 5) комплекс миозин–АТФ обладает низким сродством к актину, и поэтому происходит отделение миозиновой (АТФ) «головки» от F-актина. Последняя стадия и есть собственно расслабление, которое отчетливо зависит от связывания АТФ с актин-миозиновым комплексом (рис. д). • Затем цикл возобновляется. Биохимический цикл мышечного сокращения Регуляция сокращения и расслабления мышц • Сокращение любых мышц происходит по общему механизму, описанному ранее. Мышечные волокна разных органов могут обладать различными молекулярными механизмами регуляции сокращения и расслабления, однако всегда ключевая регуляторная роль принадлежит ионам Са2+. • Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться в его присутствии лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция . Наибольшая сократительная активность наблюдается при концентрации ионов Са2+ около 10–6–10–5 М. • При понижении концентрации до 10–7 М или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ. Регуляция сокращения и расслабления мышц • По современным представлениям, в покоящейся мышце (в миофибриллах и межфибриллярном пространстве) концентрация ионов Са2+ поддерживается ниже пороговой величины в результате связывания их структурами (трубочками и пузырьками) саркоплазматической сети и так называемой Тсистемой при участии особого Са2+связывающего белка, получившего название кальсеквестрина, входящего в состав этих структур. Регуляция сокращения и расслабления мышц • Связывание ионов Са2+ разветвленной сетью трубочек и цистерн саркоплазматической сети не простая адсорбция, а активный физиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ Са2+зависимой АТФ-азой саркоплазматической сети. • При этом: скорость выкачивания ионов Са2+ из межфибриллярного пространства стимулируется этими же ионами. • Механизм получил название «кальциевая помпа» по аналогии с хорошо известным в физиологии натриевым насосом. • Возможность пребывания живой мышцы в расслабленном состоянии при наличии в ней достаточно высокой концентрации АТФ объясняется снижением в результате действия кальциевой помпы концентрации ионов Са2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможны • проявление АТФ-азной активности и • сократимость актомиозиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна • при его раздражении от нерва (или электрическим током) - результат внезапного изменения проницаемости мембран и как следствие выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети и Т-системы некоторого количества ионов Са2+ в саркоплазму. Регуляция сокращения мышечных волокон А. Электромеханическое сопряжение • Сокращением мышечного волокна управляют двигательные нейроны, которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные соединения (синапсы). • Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействуют с ацетилхолиновыми (холинэргическими) рецепторами плазматической мембраны мышечных клеток. Это вызывает открывание трансмембранных ионных каналов и деполяризацию клеточной мембраны (образование потенциала действия). Потенциал действия быстро распространяется по всем направлениям от нервномышечного соединения, возбуждая все мышечные клетки. В течение нескольких миллисекунд реализуется рассмотренный выше цикл сокращения мышечного волокна. Б. Саркоплазматический ретикулум • Саркоплазматический ретикулум разветвленная подобная эндоплазматическому ретикулуму органелла, окружающая индивидуальные миофибриллы подобно сетке. • В покоящихся клетках концентрация Са2+ очень низка (менее 10-5 М). Однако в саркоплазматическом ретикулуме уровень ионов Са2+ существенно выше (около 10-3 М). Высокая концентрация Са2+ в СР поддерживается Са2+-АТФ-азами. Кроме того, в СР имеется специальный белок кальсеквестрин (55 кДа), который благодаря высокому содержанию кислых аминокислот способен прочно связывать ионы Са2+. Саркоплазматический ретикулум • Переносу ПД СР индивидуальной миофибриллы способствуют поперечные трубочки Т-системы, представляющие трубчатые впячивания клеточной мембраны и находящиеся в тесном контакте с индивидуальными миофибриллами. • Деполяризация плазматической мембраны передается через Т-трубочки на потенциал-управляемый мембранный белок (так называемый "SR-foot") прилегающей мембраны СР, который открывает Са2+каналы. • Результатом является выброс ионов Са2+ из СР в пространство между филаментами актина и миозина до уровня ≥10-5 M. В конечном итоге выброс ионов Са2+ является пусковым механизмом процесса сокращения миофибрилл. В. Регуляция ионами кальция • В расслабленной скелетной мышце комплекс тропонина (субъединицы = Т, С, I) с тропомиозином препятствует взаимодействию миозиновых головок с актином. • Быстрое увеличение в цитоплазме концентрации ионов кальция в результате открывания каналов СР приводит к связыванию Са2+ с С-субъединицей тропонина. Последняя по свойствам близка кальмодулину. Связывание ионов Са2+ вызывает конформационную перестройку в тропонине, тропонинтропомиозиновый комплекс разрушается и освобождает на молекуле актина участок связывания с миозином (на схеме выделен красным цветом). Это инициирует цикл мышечного сокращения. • В отсутствие последующего стимулирования АТФ-зависимые кальциевые насосы мембраны СР быстро снижают концентрацию ионов Ca2+ до исходного уровня. Как следствие, комплекс Са2+ с тропонином С диссоциирует, тропонин восстанавливает исходную конформацию, место связывания миозина на актине блокируется и мышца расслабляется. Последовательность событий при сокращении мышечного волокна скелетных мышц • При поступлении сигнала от двигательного нейрона мембрана мышечной клетки деполяризуется, сигнал передается на Сa2+-каналы СР. Са2+-каналы открываются, внутриклеточный уровень ионов Са2+ возрастает. Ионы Сa2+ связывается с тропонином С, вызывая конформационную перестройку в тропонине, что влечет за собой разрушение комплекса тропонин-тропомиозин и дает возможность головкам миозина связываться с актином. Происходит инициация актин-миозинового цикла. • По завершении сокращения уровень ионов Са2+ снижается за счет активного обратного транспорта Са2+ в СР, тропонин С отдает Са2+, комплекс тропонин-тропомиозин занимает исходное положение на молекуле актина, блокируя актин-миозиновый цикл. Результатом является • Микростроение скелетного мышечного волокна. Молекулярные механизмы сокращения. Теория скользящих нитей. • Сократительные белки актин и миозин образуют в миофибриллах тонкие и толстые мионити. Нити располагаются параллельно мышечной клетки. Миофибриллы представляют собой способные к сокращению пучки нитей d ≈ 1 мкм. Перегородки, называемые Z – пластинками, разделяют их на несколько компартментов длиной = 2,5 мкм, которые называются саркомерами. Сопряжение возбуждения с сокращением в гладкомышечных клетках • Теория скользящих нитей (Хаксли, Хансон) объясняет способность мышечных волокон к сокращению. Основной особенностью мышечного волокна является наличие в протоплазме массы тонких миофибрилл, представляющих собой беспорядочно расположенные сократимые пучки нитей (филаментов) диаметром около 1 мкм (поэтому гладкая мышца не имеет поперечной исчерченности). Пучки нитей миофибрилл представлены сократительными белками - актином и миозином. Последние образуют в миофибриллах тонкие и толстые миофиламенты. Середину каждого саркомера занимают несколько тысяч "толстых" нитей миозина диаметром примерно 10 нм. На обоих концах саркомера находится около 2000 "тонких" (толщиной до 5 нм) нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам наподобие щетинок в щетке. В покоящейся мышце • на уровне саркомера концы толстых и тонких филаментов обычно лишь слабо перекрываются. • В основе сокращения лежит скольжение актина по отношению к миозину. Во время сокращения тонкие актиновые филаменты скользят вдоль толстых миозиновых нитей, двигаясь между ними к середине их пучка и саркомера • (рис. Организация миозиновых и актиновых нитей в расслабленном и сократившемся саркомере). Организация миозиновых и актиновых нитей в расслабленном и сократившемся саркомере • Разнонаправленное скольжение актиновых нитей в двух половинах саркомера происходит за счет биполярной организации молекул миозина. Миозиновые нити несут поперечные, отходящие биполярно, выступы длиной около 20 нм с "головками" примерно из 150 молекул миозина. Во время сокращения каждая "головка" (поперечный мостик) может связывать миозиновую нить с соседними актиновыми. Движение "головок" создает объединенное усилие, как бы "гребок", продвигающий актиновые нити к середине саркомера. В результате однократного движения поперечных мостиков вдоль актиновой нити саркомер укорачивается примерно на 1% своей длины. Механизм фосфорилирования • Для повышения АТФ-азной активности миозина необходимо его фосфорилирование. • Механизм фосфорилирования осуществляется следующим образом. Са2+ соединяется с кальмодулином (кальмодулин рецептивный белок для ионов кальция). • Возникающий комплекс активирует фермент киназу легкой цепи миозина, который, в свою очередь, катализирует фосфорилирование миозина. Затем идет процесс скольжения актина по отношению к миозину, составляющий основу сокращения ( рис. Модель механизма сокращения 4). Модель механизма сокращения: миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к актиновым нитям (А - до, Б - после "гребка" мостиков) • Кальций (Са2+) - внутриклеточный посредник, его свободная концентрация в клетке низка и составляет 10-7-10-8 моль-1. • Проникает в клетку через специфические мембранные каналы, которые открываются при изменении мембранного потенциала клетки. • Повышение концентрации Са2+ приводит к сокращению миофибрилл. Хранение и высвобождение Са2+ • В мышечных клетках Са2+ хранятся в особых внутриклеточных структурах - в трубчатых (поперечных) углублениях поверхностной мембраны мышечной клетки и в системе продольных трубочек (истинный саркоплазматический ретикулум). Они расположены параллельно миофибриллам. • Пузырьки на их концах (терминальные цистерны) прилегают к мембранам системы поперечных трубочек. В этих пузырьках и хранится внутриклеточный кальций. Электромеханическое сопряжение • происходит посредством распространения потенциала действия по мембранам поперечной системы в глубь клетки. • При этом возбуждение быстро проникает вглубь волокна, переходит на продольную систему и, в конечном счете, вызывает высвобождение кальция из терминальных цистерн во внутриклеточную жидкость, окружающую миофибриллы, что и ведет к сокращению • (рис. Схема электромеханического сопряжения 5). Схема электромеханического сопряжения: А - расслабленное мышечное волокно с поляризованной мембраной, Б - потенциал действия меняет полярность мембраны клетки и поперечных трубочек на противоположную; ионы кальция выходят из терминальных цистерн Структура саркомеров • представляет из себя правильно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Согласно теории Хаксли и Хансон, эта поперечная исчерченность миофибрилл обусловлена особой регулярной организацией нитей актина и миозина. • В середине каждого саркомера расположены несколько тысяч «толстых» нитей миозина, d = 10 нм. На обоих концах саркомера находится около 2000 «тонких», d = 5 нм нитей актина, прикрепленных к Z – пластинкам наподобие щетинок в щетке. Пучок лежащих в определенном порядке нитей миозина l = 1,6 мкм, благодаря свойству двойного лучепреломления в поляризованном свете (т.е. анизотропии) называется А–диском. По обе стороны от Адиска находятся участки, которые содержат только тонкие нити и поэтому кажутся светлыми, эти изотропные диски «J» тянутся до Z – пластинок. Именно благодаря такому периодическому чередованию светлых полос в бесконечно повторяющихся саркомерах миофибриллы волокон сердечной и скелетной мышц выглядят исчерченными (поперечно-полосатыми). • В покоящихся мышечных волокнах при отсутствии импульсации мотонейрона поперечные миозиновые мостики не прикреплены к актиновым миофиламентам. Тропомиозин расположен таким образом, что блокирует участки актина, способные взаимодействовать с поперечными мостиками миозина. Тропонин тормозит миозин-АТФ-фазную активность и поэтому АТФ не расщепляется. Мышечные волокна находятся в расслабленном состоянии. • При сокращении мышцы длина А-дисков не меняется, Jдиски укорачиваются, а Н-зона А-дисков может исчезать. Это явилось основой для создания теории, объясняющей сокращение мышцы механизмом скольжения (теория скольжения) тонких актиновых миофиламентов вдоль толстых миозиновых. В результате этого миозиновые миофиламенты втягиваются между окружающими их актиновыми, что приводит к укорочению каждого саркомера, а, следовательно, и всего мышечного волокна. Работа поперечных мостиков • Миозиновые нити имеют поперечные выступы l ≈ 20 нм, с головками ≈ из 150 молекул миозина, они отходят от нити биполярно. • Во время сокращения каждая головка миозина, или поперечный мостик, может связывать миозиновую нить с соседней – актиновой. • Наклоны головок создают объединенное усилие, и происходит «гребок», продвигающий актиновую нить к середине саркомера. • Биполярная организация молекул миозина в 2х половинах саркомера уже обеспечивает возможность скольжения актиновых нитей в противоположном направлении в левой и правой половине саркомера. • При однократном вращательном движении поперечных мостиков вдоль актиновой нити саркомер укорачивается только на 2·10 нм, т.е. ≈ на 1% его длины. Только ритмическое отсоединение и прикрепление головок миозина сможет «грести» или тянуть актиновую нить к середине саркомера, наподобие того, как группа людей тянет длинную веревку, перебирая ее руками. Благодаря суммации минимальных укорочений миофибрилл в последовательно расположенных саркомерах мышца l = 2 см при упомянутом выше изотоническом сокращении может поднять очень маленький груз на h = 1 см за 0,1 с. При расслаблении мышцы • головки миозина отходят от актиновых нитей. Поскольку актиновые и миозиновые нити могут легко передвигаться относительно друг друга, сопротивление растяжению в расслабленных мышцах оказывается очень низким. Мышцу, находящуюся в состоянии укорочения, можно с помощью совсем небольшого веса снова растянуть до исходной длины. Следовательно, удлинение мышцы во время расслабления является пассивным. Молекулярный механизм сокращения • мышечного волокна состоит в том, что возникающий в области концевой пластинки ПД распространяется по системе поперечных трубочек вглубь волокна, вызывает деполяризацию мембран цистерн саркоплазматического ретикулума и освобождение из них Са++. Свободные ионы Са++ в межфибриллярном пространстве запускают процесс сокращения. • Совокупность процессов, обуславливающих распространение ПД вглубь мышечного волокна, выход ионов Са из саркоплазматического ретикулума, взаимодействие сократительных белков и укорочение мышечного волокна называется ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ сопряжением. Локализация и механизм действия Са++ • Механизм, посредством которого Са++ активирует волокно, легче понять при р/м структуры актиновых нитей. • Актиновая нить длиной=1 мкм и толщиной 5-7 нм состоит из 2-х закрученных один вокруг другого и напоминающих нитки бус мономеров актина толщиной по 5 нм (структура похожа если взять 2 нитки бус и скрутить их в виде спирали по 14 бусин в витке). Через регулярные промежутки ≈ по 40 нм на цепях актина лежат нити тропомиозина. • При отсутствии Са++, т.е. при расслабленном состоянии миофибрилл, длинные молекулы тропомиозина располагаются так, что блокируют прикрепление поперечных мостиков миозина к активным цепям. • Под влиянием активирующих ионов Са++ молекулы тропомиозина глубже опускаются в желобки м/у мономерами актина, открывая участки прикрепления для поперечных мостиков миозина. В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, АТР расщепляется и развивается мышечная сила. • Эти активационные эффекты обусловлены действием Са++ на тропонин, причем последний работает как «кальциевый переключатель» - при связывании с Са молекула тропонина деформируется так, что она толкает тропомиозин в желобок м/у 2-мя цепями актина – в «активированное положение». • • • • Хранения и освобождение Са++ Если бы ионы Са++ не были изолированы в особых внутриклеточных хранилищах, обогащенные Са++ мышечные волокна находились бы в состоянии непрерывного сокращения. Структура внутриклеточных систем хранения Са++ отличается в разных мышцах. Во многих участках поверхностная мембрана мышечной клетки углубляется внутрь волокна, перпендикулярно его продольной оси, образуя трубки; эта система поперечных трубочек (Т-система) соединяется с внеклеточной средой. Трубочки d=50 нм обычно окружают каждую миофибриллу в области J-дисков. Перпендикулярно поперечной системе, т.е. перпендикулярно миофибриллам, расположена система продольных трубочек, не соединяющихся с внеклеточной средой. Электромеханическое сопряжение происходит посредством распространения ПД по мембранам поперечной системы внутрь волокна. При этом возбуждение быстро проникает вглубь волокна, переходит к продольной системе и, в конечном счете, вызывает высвобождение ионов Са++, которые хранятся в терминальных цистернах, во внутриклеточную жидкость около миофибрилл, что и ведет к сокращению. • При одиночном сокращении процесс укорочения вскоре заканчивается, когда активирующие ионы Са++ возвращаются посредством кальциевого насоса в систему каналов саркоплазматического ретикулума, происходит расслабление мышцы. Этот процесс идет с участием активного транспорта, потребляющего энергию АТР. Ионы Са удаляются до тех пор, пока конц. Са++ не упадет до уровня ниже 10-8 м. Такое снижение подавляет действие актина и поперечных мостиков миозина, так что мостики отсоединяются. • Источником Е для сокращения мышечных волокон служит АТФ. С инактивацией тропонина ионами Са++ активируются каталитические центры для расщепления АТФ на головках миозина. • Фермент миозиновая АТФ-аза гидролизует АТФ, расположенный на головке миозина, что обеспечивает Е поперечные мостики. Освобождающиеся при гидролизе АТФ молекула АДФ и неорганический фосфат используются для последующего ресинтеза АТФ. На миозиновом поперечном мостике образуется новая молекула АТФ. При этом происходит разъединение поперечного мостика с нитью актина. Повторное прикрепление и отсоединение мостиков продолжается до тех пор, пока конц. Са внутри миофибрилл не снижается до подпороговой величины. Тогда начинается расслабление. • Напряжение, развиваемое мышечным волокном, зависит от числа одновременно замкнутых поперечных мостиков. • Скорость развития напряжения или укорочение волокна определяется частотой замыкания поперечных мостиков, образуемых в единицу времени, т.е. скоростью их прикрепления к актиновым миофиламентам. С увеличением скорости укорочения мышцы число одновременно прикрепленных поперечных мостиков в каждый момент времени уменьшается. Этим и можно объяснить уменьшение силы сокращения мышцы с увеличением скорости ее укорочения. • При одиночном сокращении процесс укорочения мышечного волокна заканчивается через 15-50 мсек, т.к. активирующие его ионы Са++ возвращаются при помощи кальциевого насоса в цистерны ретикулума. Происходит расслабление. Поскольку возврат ионов Са++ в цистерны саркоплазматичесокого ретикулума идет против диффузионного градиента, тот этот процесс требует затрат Е. 1 молекула АТФ затрачивается на возврат 2 ионов Са++ из межфибриллярного пространства в цистерны. • При снижении Са++ до подпорогового уровня (ниже 10-8 м) молекулы тропонина принимают форму, характерную для состояния покоя. При этом вновь тропомиозин блокирует участки для прикрепления поперечных мостиков к нитям актина. Все это приводит к расслаблению мышцы вплоть до момента прихода очередного потока нервных импульсов. • • • • Метаболизм сокращающихся мышц Между кровообращением, метаболизмом и функцией мышечных клеток существует тесная взаимосвязь. Кровоток в скелетных мышцах в покое = 2-5 мл/100г в минуту. Общая масса мышц = 30кг, суммарный кровоток через всю мышечную ткань составляет примерно 900-1200мл/мин, т. е. 1520 % от МОК. При максимальной физической нагрузке кровоток может достигать 24-27 л/мин при МОК = 30л, т.е. 80-90% общего кровотока. Величина кровоснабжения работающих мышц зависит: • От степени расширения мышц сосудов. Полное раскрытие сосудов происходит через 60-90 секунд после начала работы. Понижение тонуса гладкомышечных клеток сосудов во время работы скелетных мышц вследствие действия на них местных метаболических (недостаток О2, избыток СО2, высокая концентрация Н+, высокое содержание АТФ и АДФ, высокая осмолярность и др.) и физических факторов (уменьшение трансмурального давления, уменьшение степени растяжения гладкомышечных клеток сосудистой стенки, увеличение V тока крови в сосуде). • От величины механического препятствия кровотоку. При максимальных произвольных сокращениях давление на сосуды мышц может в 2-3 превышать уровень систем АД. Степень сжатия сосудов зависит от силы сокращения. • При статической работе кровоток уменьшается уже при нагрузках, превышающих 8-10 % МПС. При статических усилиях более 30-40 % МПС кровоснабжение мышц практически прекращается. Восстанавливается кровоток через ч/з мышцу лишь после окончания работы. • При ритмических сокращениях кровоток минимален в фазу напряжения и максимален в период расслабления. • Средний кровоток при динамической работе всегда намного больше, чем в покое и при статической работе. Это объясняет, почему при динамической работе, при которой сокращение и расслабление постоянно чередуются, мышцы утомляются меньше, чем при статистической нагрузке. Величина кровоснабжения работающих мышц зависит: • От размеров работающих мышечных групп. При мощной ритмической работе все сокращающиеся мышцы максимально могут использовать 80-90% МОК (т.е. чем меньше по размерам работающие мышечные группы, тем больше количество крови они могут получить в минуту и тем больше их работоспособность). • От величины регионарного среднего АД. Чем выше показатель при работе, тем больше снабжаются кровью активные мышечные волокна. • Важное значение имеет работа мышечного насоса, способствующего снижению среднего венозного давления и снижению артериально-венозного градиента давления. • • • • • • Энергетика мышцы Прямым источником энергии для мышечного сокращения служит АТФ. При активации сокращения мышцы повышение внутриклеточной концентрации Ca2+ приводит к сокращению и усиленному расщеплению АТФ, интенсивность метаболизма повышается в 100-1000 раз. АТФ гидролитически расщепляется с помощью миозин АТФ –азы до АДФ и неорганического фосфата. Расщепление 1 моля АТФ обеспечивает около 48кДж энергии. 40-50 % этой энергии преобразуется в механическую работу, а 50-60 % превращается в тепло. В естественных условиях в мышце лишь 20-30 % всех энергозатрат идет на механическую работу, поскольку часть энергии используется для работы ионных насосов и окислительного восстановления АТФ. Для поддержания длительной работы мышц требуется восстановление АТФ с той же скоростью сколько расходуется. Ресинтез АТФ осуществляется в мышце анаэробным (без О2) и аэробным (с участием О2) путем. Для образования АТФ в сокращающейся мышце могут действовать 3 энергетические системы : фосфагенная, или АТФ –КрФ система, гликолитическая и окислительная. План: • Физиология синапсов. Утомление. Особенности строения и классификация синапсов. • Механизм передачи возбуждения в синапсах. • Функциональные свойства синапсов. • Медиаторные процессы в синапсах. • Электрические явления постсинаптических мембран. • Синапсы с электрической передачей возбуждения. • Физиология синапсов. Утомление. Особенности строения и классификация синапсов • Синапс (synapsis – греч. соединение, связь, застежка). Термин введен в физиологию англ. физиологом Ч. Шеррингтоном, исходя из того, что под микроскопом на телах нервных клеток контакты аксонов выглядят как «застежки». • Синапс – структурное образование, обеспечивающее переход возбуждения с нервного волокна на иннервируемую им клетку – мышечную, нервную или железистую. • Классификация синапсов • С морфологической точки зрения в зависимости от свойств объединяемых тканей синапсы подразделяются на: • - нервно – мышечные, • - нервно – секреторные, • - межнейрональные. • С функциональной точки зрения синапсы подразделяют на • возбуждающие – проводящие возбуждение и • тормозные - блокирующие проведение возбуждения. • В зависимости от характера выделяющегося в синапсах медиатора синапсы подразделяются на: • - адренергические, • - холинергические, • - серотонинергические, • - ГАМК-ергические и др. • По способу передачи сигналов: • - электрические (сигналы передаются эл. током) • - химические (посредником является медиатор). Обозначения на схеме. • А, Б, В - последовательно увеличенные фрагменты нервно-мышечного синапса. • (1) Аксон мотонейрона, заканчивающийся на мышечном волокне. • (2) Миелиновая оболочка аксона мотонейрона. • (3) Концевые ветви аксона мотонейрона. • (4) Синаптическая щель. • (5) Базальная мембрана концевой пластинки. • (6) Митохондрия концевой пластинки. • (7) Синаптический пузырек. • (8) Окаймлѐнный пузырѐк. • (9) Ацетилхолиновые рецепторы субсинаптической мембраны. • (10) Базальная мембрана субсинаптической мембраны. Нервно-мышечный синапс - соединение концевой ветви аксона мотонейрона спинного мозга с мышечной клеткой. • Соединение состоит из предсинаптических структур, образованных концевыми ветвями аксона мотонейрона и постсинаптических структур, образованных мышечной клеткой. Предсинаптические и постсинаптические структуры разделены синаптической щелью. • Предсинаптические структуры: концевая ветвь аксона, концевая пластинка концевой ветви (аналог синаптической бляшки), предсинаптическая мембрана (концевой пластинки). • Постсинаптические структуры: постсинаптическая мембрана (мышечной клетки), субсинаптическая мембрана (постсинаптической мембраны). По структуре и функции нервно-мышечный синапс является типичным химическим синапсом. Отличие химических синапсов от электрических а) наличие относительно широкой синаптической щели (20-80 нм, т. е. 200-800 А) б) относительно высокое удельное электрическое сопротивление контактирующих мембран в) морфологическая особенность (пресинаптические везикулы с медиатором) г) при таких структуре и свойствах синапса пресинаптический ПД не может петлей своего тока возбудить постсинаптическую клетку. • Ток, выходящий через пресинаптическую мембрану, здесь почти целиком уходит через широкую синаптическую щель мимо постсинаптической клетки, обладающей значительным входным сопротивлением . • А очень небольшая часть этого тока, которая все же входит в постсинаптическую клетку, вызывает лишь ничтожное изменение ее МП. Суть работы химического синапса • • • Пресинаптический ПД здесь работает как инициатор нейро-секреторного акта. При развитии ПД терминали (а также и при искусственной ее деполяризации) в нее из среды входят ионы кальция. А это стимулирует выброс медиатора из 100-200 пресинаптических везикул в синаптическую щель. Выход медиатора очень сильно зависит от величины деполяризации терминали. Эта зависимость объясняет резкое снижение выхода медиатора при падении амплитуды ПД терминали. В нормальных условиях в ответ на нервный импульс освобождается около миллиона молекул АХ. Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где для него имеются рецепторы (холинорецепторы- ХР). При взаимодействии АХ и ХР в постсинаптической мембране открываются многочисленные ионные каналы (D∼6,5A). Сопротивление этой мембраны падает в 4000 раз, что приводит к ее частичной деполяризации, т. е. к развитию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). В нервно-мышечном синапсе этот ВПСП называется потенциалом концевой пластинки (ПКП). ВПСП (ПКП), в свою очередь, создает ток, раздражающий соседнюю с постсинаптической злектровозбудимую мембрану мышечного волокна, что и порождает в ней ПД. • • • • • Нарушение нервно – мышечной передачи при утомлении При длительном раздражении нерва нарушение нервно – мышечной передачи развивается задолго до того, как мышца, а тем более нерв в силу утомления утрачивают способность к проведению возбуждения. Объясняется это тем, что в нервных окончаниях при длительном раздражении уменьшается запас «заготовленного» медиатора. Поэтому порции ацетилхолина, выделяющиеся в синапсах в ответ на каждый импульс, уменьшаются и соответственно снижают до подпороговых величин постсинаптические потенциалы. При длительном раздражении нерва под влиянием продуктов обмена в мышце происходит постепенное снижение чувствительности постсинаптической мембраны к ацетилхолину. В результате величина потенциалов концевой пластинки снижается. При снижении амплитуды ПКП ниже некоторого критического уровня возникновение ПД в мышечном волокне прекращается, следовательно, синапсы утомляются быстрее, чем нервные волокна и мышцы. Механизм передачи возбуждения в синапсах • В состоянии покоя на постсинаптической мембране можно зарегистрировать периодически возникающие слабые процессы деполяризации, т.н. «миниатюрные потенциалы». Напряжение их приблиз. 0,5 мВ. Их происхождение связывают с периодическим опорожнением медиаторов из отдельных везикул пресинаптической области на постсинаптическую мембрану. • Мембраны везикул обладают протеолитической активностью. При соприкосновении с пресинаптической мембраной, происходит лизис везикулярной и пресинаптической мембран и содержимое везикулы изливается на постсинаптическую мембрану, вызывая ее деполяризацию, типа местного потенциала. • Медиатор изменяет проницаемость пор постсинаптической мембраны. Ионы Na+ устремляются с поверхности через постсинаптическую мембрану внутрь протоплазмы клеток постсинаптической ткани. Ионы K+ , наоборот, устремляются на поверхность постсинаптической мембраны. Механизм передачи возбуждения в синапсах • При поступлении к пресинаптической области распространяющегося процесса возбуждения пресинаптические везикулы начинают массивно концентрироваться около пресинаптической мембраны. При этом происходит ее массивный лизис и большое кол-во медиатора поступает на постсинаптическую мембрану. • В случае, если везикулы содержат возбуждающий медиатор, это приводит к обширной деполяризации постсинаптической мембраны, суммации на ней местных потенциалов и возникновению распространяющегося спайкового процесса возбуждения. На постсинаптической мембране регистрируются ВПСП. • В случае, если пресинаптические везикулы синапса содержат тормозной медиатор , н-р ГАМК, при ее поступлении к постсинаптической мембране происходит гиперполяризация и регистрируется ТПСП. • Механизмы химической теории возбуждения синапсов заложены русским физиологом А.Ф. Самойловым и америк. исследователем, лауреатом Нобелевской премии, Дж. Экклсом. Природа постсинаптического возбуждения • При поступлении возбуждающего медиатора, н-р. ацетилхолина к постсинаптической мембране активируются ее Na+ - K+ каналы. • При этом ионы Na+ устремляются внутрь клетки постсинаптической области а K+ - наружу. Происходит деполяризация мембраны. • Ацетилхолин активно разрушается в постсинаптической области холинэстеразой с образованием холина и уксусной кислоты. • В результате этого процесс возбуждения прекращается и возникает снова только при поступлении следующей достаточной порции АХ. Т.е. возбуждение постсинаптической мембраны носит дискретный, квантовый характер. • В возбуждении постсинаптической мембраны принимают участие и др. выделяющиеся в пресинаптическую область вещества: Ca+ , олигопептиды, вещ.П, факторы роста нервов, витамины. В тормозных синапсах • поступающий на постсинаптическую мембрану тормозной медиатор блокирует Na+ - K+ каналы и создает процесс гиперполяризации мембраны. • В последние годы химическая теория возбуждения синаптической области значительно расширилась. В 70-е годы П.К.Анохин впервые указал на ограниченность мембранной теории возбуждения и призвал исследовать постсинаптические процессы возбуждения. Резюме • • • • • Перемещение ионов через постсинаптическую мембрану вызывает возникновение локального электрического ответа, который может нести как возбуждающий (сопровождающийся деполяризацией мембраны), так и тормозной (гиперполяризация) характер. Деполяризация мембраны (возбуждающий постсинаптический потенциал – ВПСП) возникает благодаря активации хемозависимых натриевых каналов, через которые осуществляется лавинообразное движение натрия в клетку. Значение в формировании ВПСП имеют также ионы кальция, поступающие в клетку, и выходящие ионы калия. Длительность ВПСП составляет около 5 мсек, амплитуда – примерно 20мВ. Тормозной постсинаптический потенциал формируется в результате гиперполяризации мембраны за счет выхода ионов калия по градиенту концентрации из клетки и входа ионов хлора внутрь клетки. Самую важную роль играют ионы хлора. Возможно возникновение ТПСП без гиперполяризации. Это возникает, когда мембранный потенциал нейрона более отрицателен, чем равновесный хлорный потенциал (70мВ). В этом случае ионы хлора покидают клетку через открытые каналы, развивается деполяризация мембраны до уровня равновесия потенциалов по хлору, но синапс будет все равно тормозным, так как дальнейшая деполяризация мембраны невозможна из-за нейтрализации зарядов входящих ионов натрия входящими ионами хлора и выходящим калием. Длительность ТПСП составляет 2–5 с, амплитуда равна 10мВ. В настоящее время постсинаптические процессы представлены следующим образом: • медиаторы на постсинаптических мембранах активируют специальные белковые молекулы – рецепторы. Эти рецепторы в свою очередь активируют специальные G-белки, которые возбуждают ферменты аденилатциклазу, гуанилатциклазу и фосфолипазу C. • Аденилатциклаза и гуанилатциклаза активируют циклические АМФ и ГМФ. Будучи ферментами, цАМФ и цГМФ через соответствующие протеинкиназы фосфорилируют белки. • Наряду с этим функцию вторичных передатчиков играют диацетилглицерин, инозитолы и Ca++. Процесс передачи возбуждения с нервного волокна на скелетные мышечные представлен схемой нервный импульс => поступление Ca++ внутрь нервного волокна => освобождение из окончания АХ => взаимодействие АХ с холинорецептором => активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны в результате взаимодействия медиатора с холинорецепторами => возникновение ПКП => критическая деполяризация околосинаптической электровозбудимой мембраны => генерация ПД. Функциональные свойства синапсов определяются особенностями их строения и механизмом проведения возбуждения. • 1) Одностороннее проведение через синапс. Это свойство определяется особенностями химического механизма проведения возбуждения через синапс (поскольку везикулы с медиатором располагаются в пресинаптической области, поступающий в пресинаптическую щель медиатор действует только в одном направлении – деполяризации постсинаптической мембраны). • 2) Синаптическая задержка. Возбуждение в синапсах задерживается от 1 до 3 мсек. Синаптическая задержка определяется перемещением пресинаптических везикул к пресинаптической мембране, процессами лизиса пресинаптической мембраны, поступлением медиатора в синаптическую щель и действием его на проницаемость каналов постсинаптической мембраны. • 3) Суммация возбуждения в синапсе. Определяется процессами перехода местного процесса возбуждения на постсинаптической мембране в спайковый распространяющийся ПД. • • • • • 4) Трансформация возбуждений. 4А. Облегчение проведения возбуждения, т.е. каждый последующий импульс возбуждения проводится через синапс при более облегченных условиях его формирования, обусловленных предшествующими процессами возбуждения. 4Б. Проторение проведения возбуждения через синапс. (т.е. каждый предшествующий импульс возбуждения создает для последующих более облегченные условия формирования). Свойства облегчения и проторения возбуждения связаны с формированием в синапсах в процессе их возбуждения специальных белков памяти. 4В. Низкая функциональная лабильность так, н-м синапс обладает лабильностью до 70 имп/сек. Наиболее высоколабильными в организме являются слуховые и диафрагмальные нервы. Их ф. лабильность превышает 1000 имп/сек. Поперечно – полосатые мышцы проводят без трансформации до 200 – 300 имп/сек. Соматические нервы, иннервирующие поперечно – полосатые мышцы способны проводить без трансформации в среднем 500 имп/сек. 4Г. Повышенная утомляемость синапса. (Д-во: при ритмическом непрямом электрическом раздражении н-м препарата можно некоторое время наблюдать утомление ответа мышечного сокращения. Однако при прямом электр. раздражении мышцы она хорошо сокращается. Нерв практически не утомляем. Т.о. утомление н-м препарата при непрямом раздражении связано с первичным утомлением н-м синапса. • 5) Синапсы обладают повышенной и избирательной чувствительностью по отношению к хим. и фарм. веществам. Примером хим. влияния на н-м синапс является действие кураре (избирательно действует на постсинаптич. мембрану поперечно – полосатой мышцы и блокирует процесс перехода местного потенциала в распространяющийся. • Установлены хим. вещества, избирательно действующие на химические процессы распространения возбуждения от постсинаптической мембраны к ядру клеток постсинаптической области, а также на процессы синтеза белка геномом ядер этих клеток. • Синапсы в процессах жизнедеятельности играют важную роль, поскольку действие фарм. веществ в первую очередь осуществляется на специфические синаптические образования. • Роль Ca++ Удаление Ca++ из раствора приводит к снижению количества выделяемого медиатора, т.е. присутствие Ca++ совершенно необходимо для нормального высвобождения квантов под влиянием пресинаптического ПД. Рассчитано, что для высвобождения каждого кванта нужны 4 иона Ca++ . Добавление Mg++ оказывает действие аналогичное удалению Ca++ . Видимо ионы Mg++ конкурируют с ионами Ca++ ,вытесняя их с участков связывания на пресинаптической мембране. Патофизиология процесса высвобождения медиатора • Токсин, который продуцирует Clostridium botulinum (несвежее мясо, рыба, консервы) действует на концевую пластинку так же, как удаление Ca++ , этот токсин блокирует освобождение АХ, вызывая мышечный паралич, остановку дыхания. • Высвобождение медиатора в тормозных синапсах. Механизм высвобождения медиатора в тормозных и в возбуждающих синапсах примерно аналогичен. В синапсах обоего типа имеются синаптические пузырьки. Тормозным медиатором в мотонейронах является аминокислота глицин. Фармакологический механизм ботулинического токсина • При стимуляции нервного окончания везикулы высвобождают химический медиатор, который выходит в синаптическую щель и запускает волну возбуждения в мышце. • Ботулинический токсин блокирует высвобождение ацетилхолина в нервномышечном синапсе. Токсин расщепляет один из трех протеинов, необходимых для слияния везикул, содержащих ацетилхолин, с пресинаптической мембраной перед экзоцитозом. Механизм действия LANTOX • • • В отсутствие ботулинического токсина ацетилхолин высвобождается в синаптическую щель при деполяризации окончания моторного нейрона нервным импульсом. Высвобождение ацетилхолина осуществляется при участии транспортного протеина рецепторного комплекса SNARE (SNAp[soluble N-ethyl-maleimide-sensitive factor attachment protein]), состоящего из синаптобревина-2, синаптосома, ассоциированного протеина MW25KDa (SNAP-25), и синтаксина, и обеспечивает сближение и слияние везикулы с мембраной нейрона. При инъекции ботулинического токсина его тяжелая цепь связывается со специфическими гликопротеиновыми структурами холинэргических нервных окончаний. После этого происходит интернализация молекул токсина. При низких значениях рН ботулинический токсин изменяет свою конформацию, встраивается в билипидный слой мембраны везикулы, в результате легкая цепь токсина оказывается в цитозоле. Здесь она катализирует протеолиз SNAP-25, одного из SNARE-протеинов, и тем самым препятствует взаимодействию и слиянию ацетилхолиновых везикул с внутренней поверхностью клеточной мембраны. В случае с мышечной тканью парез мышцы и ее релаксация происходят за счет химической денервации (ингибирование высвобождения ацетилхолина) Лантокс - современный аналог Ботокс облегчает жизнь тяжело больным людям • LANTOX - белок высокой степени очистки (ботулинический токсин типа А), экстрагируемый из анаэробных бактерий Clostridium botulinum с помощью методов высоких технологий. Механизм действия обусловлен обратимой блокадой передачи нервномышечного импульса. • Токсин ингибирует высвобождение ацетилхолина, приводя к локальному мышечному расслаблению. Блокада тормозных синапсов • Стрихнин конкурирует с тормозным медиатором на постсинаптической мембране (аналогично кураре на концевую пластинку). • Столбнячный токсин, вероятно, нарушает высвобождение медиатора из тормозных пресинаптических окончаний (сравните с влиянием Mg++ и Cl. Botulinum). • В настоящее время пришли к заключению, что возбуждающий или тормозный характер действия медиатора определяется свойством постсинаптической мембраны, а не самого медиатора. Т.о. в принципе НС могла бы иметь только один медиатор, который при связывании с соответствующими постсинаптическими рецепторами вызывает те или иные сдвиги проводимости. Поскольку это не является общим правилом, медиаторы могут играть и другую роль, например, служить хемотаксическими или трофическими факторами. • Холинэстераза и ее роль в процессах нервно – мышечной передачи • В естественных условиях к мышце поступают быстро следующие друг за другом нервные импульсы и постсинаптическая мембрана, деполяризованная предшествующей порцией ацетилхолина, становится малочувствительной к действию следующей. Следовательно, чтобы нервные импульсы могли осуществлять нормальное возбуждающее действие необходимо к приходу каждого из них «убрать» предшествующую порцию медиатора, эту функцию выполняет холинэстераза. Холин, освобождающийся при расщеплении молекул ацетилхолина переносится обратно в нервное окончание специальной транспортной системой, существующей в пресинаптической мембране. • Широко распространенным медиатором является ацетилхолин, который высвобождается из пресинаптических окончаний мотонейронов не только в концевой пластинке, но также и на клетках Реншоу. • Постсинаптические АХ – рецепторы возбуждающего действия делятся на 2 класса: • никотинового типа, которые блокируются кураре и опосредуют генерацию коротких ВПСП, и • мускаринового типа, которые не чувствительны к кураре и участвуют в развитии более продолжительных ВПСП. Резюме • В процессе передачи возбуждения с нерва на мышечные волокна выделяют 3 последовательных процесса: • 1) электрический, включающий достижение нервным импульсом концевой веточки аксона, деполяризацию и повышение проницаемости ее мембраны, выделение АХ в синаптическую щель. • 2) химический, основу которого составляет диффузия медиатора АХ к постсинаптической мембране и образование на ней его комплекса с холинорецептором. • 3) электрический, включающий увеличение ионной проницаемости постсинаптической мембраны, возникновение локального электрического потенциала (потенциала концевой пластинки), развитие ПД мышечным волокном. • Запасов АХ в нервном окончании достаточно для проведения лишь 10000 импульсов. При длительной импульсации за счет снижения АХ возможны нарушения передачи возбуждения в Н-М синапсах, вплоть до развития блока. Электрические синапсы были открыты Дж. Экклсом в 1961г. • В организме человека электрических синапсов значительно меньше, чем химических, причем в эмбриогенезе их больше, чем в постнатальном периоде. Они встречаются в структурах ЦНС (ядра тройничного, глазодвигательного нервов, вестибулярные ядра Дейтерса), вставочные диски (нексусы кардиомиоцитов) также пример электрических синапсов. Электрические синапсы • Главным отличием их от химических является отсутствие посредника; осуществляется прямая передача потенциала действия с одной клетки на другую. • Главным структурным отличием можно считать узкую синаптическую щель (2–4 нм). Через нее в электрических синапсах протянуты белковые каналы (диаметр до 2 нм), способные пропускать ионы и низкомолекулярные вещества. • ПД не затухает в межклеточной жидкости синаптической щели, входит внутрь иннервируемой клетки, затем через постсинаптическую мембрану выходит на ее поверхность, вызывая деполяризацию. • Электрические синапсы обладают рядом преимуществ перед химическими (высокая лабильность из-за малой синаптической задержки – 0,1 мсек, низкая утомляемость, надежность передачи), но и обладают • недостатками, главным среди которых можно назвать почти полное отсутствие одностороннего проведения возбуждения. Возможно, именно это сыграло главную роль в том, что в процессе эволюции электрические синапсы большей частью возникли из нервных систем высших позвоночных. Синапсы с электрической передачей возбуждения Всем синапсам электрического типа свойственны • а) очень узкая синаптическая щель (5 нм, иначе 50 А) и • б) очень низкое удельное сопротивление пре- и постсинаптических мембран, что связано с существованием транссинаптических каналов (D=l -1,5 нм), проходящих поперек синаптической щели в специальных тельцах, связывающих пре- и постсинаптическую мембраны . Особенности проведения ПД через септальный синапс • • • • • Проведение ПД через септальный синапс осуществляется с синаптической задержкой порядка 0,1 мс, которая гораздо короче, чем задержка в химических синапсах. В септальных синапсах, как и в непрерывном нервном проводнике, проведение осуществляется в обе стороны. Некоторые электрические возбуждающие синапсы работают как "вентильные" механизмы, т. е. передают возбуждение, по существу, односторонне, что объясняется выпрямляющими свойствами их синаптических мембран, т. е., повидимому, тем, что их каналы открыты лишь для электрического тока одного определенного направления. При этом сопротивления прямому и обратному токам могут различаться в 50 раз. электрическим синапсам свойственно чрезвычайное быстродействие и высокая надежность передачи. Однако эти синапсы как не включающие никакого инерционного звена мало приспособлены для интегрирования серии импульсов возбуждения. Специализированные тормозящие электрические синапсы встречаются крайне редко. Они описаны Фурукавой, Фуршпаном на маутнеровских клетках рыб. Здесь пресинаптическое волокно не образует контакта, а лишь близко подходит к аксонному холмику - выходному участку маутнеровской клетки, будучи окруженным относительно высокоомным материалом аксонной чашечки ПД волокна, направляющийся в терминаль, видимо, останавливаясь в начале терминали, создает ток, входящий в аксонный холмик. Этим током мембрана аксонного холмика, наиболее возбудимая зона маутнеровской клетки, гиперполяризуется, чем и достигается очень быстрый кратковременный тормозящий эффект. Вероятная схема работы тормозного электрического синапса на маутнеровском нейроне рыбы • 1 - нервное окончание, • 2 - начальный сегмент аксона маутнеровской клетки, • 3 - глиальная "чашечка". • Стрелкой показано направление тока, порождаемого ПД нервного окончания. Общими свойствами возбуждающих электрических синапсов являются: • 1)быстродействие • 2)слабость следовых эффектов при передаче, что делает непригодными их для суммации последовательных сигналов • 3)высокая надежность передачи возбуждения • 4)однако не лишены пластичности ( могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных, например при повреждении одной из контактных клеток ее электр. синапсы с другими клетками ликвидируются).
