Учебно-методическое пособие В.А.Лавриненко А.В.Бабина
advertisement
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ КРИ Учебно-методическое пособие В.А.Лавриненко А.В.Бабина Новосибирск, 2015 Учебно-методическое пособие «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ КРИ» предназначено для студентов 3-го курса биологического отделения совместного Китайскороссийского института (КРИ) Хэйлунзянского университета (г. Харбин, КНР), изучающих физиологию в рамках направления «Биология». Пособие содержит описание основных физиологических процессов, протекающих в возбудимых тканях с краткими иллюстративными пояснениями. Также приводятся современные сведения о проведении нервного сигнала в синапсах. Знание этих разделов необходимо для успешного освоения дисциплины «Физиология», включенной в Уникальную инновационную образовательную программу по направлению «Биология» (уровень подготовки – бакалавриат) для совместного Китайско-российского института. Составители: канд. биол. наук, профессор В. А. Лавриненко, канд. биол. наук, старший преподаватель А. В. Бабина Рецензент д.б.н., профессор Л.В. Шестопалова Пособие подготовлено в рамках реализации Программы развития НИУ НГУ Новосибирск, 2015 2 ВВЕДЕНИЕ Живые организмы и все их клетки обладают свойством, называемым раздражимостью, т. е. способностью отвечать на воздействия внешней среды изменением структуры и функции организма и его клеток. Этот ответ на различные воздействия называют физиологическими реакциями, а воздействия, их вызывающие, – раздражителями, или стимулами. Понятие физиологическая реакция чрезвычайно широко и включает все виды ответной деятельности организма, его органов и клеток на различные воздействия. Реакции клеток проявляются в изменении их формы, структуры, роста и процесса деления, в образовании в них различных химических соединений, совершении той или иной работы. Раздражителем живой клетки или организма как целого может оказаться любое изменение внешней среды или его внутреннего состояния, если оно достаточно велико, возникло достаточно быстро и продолжается достаточно долго. Возбудимость – это свойство клеточных мембран отвечать на действие адекватных раздражителей специфическими изменениями ионной проницаемости и мембранного потенциала. Возбуждение – электрохимический процесс, идущий на мембране клетки. Его обязательным признаком является изменение электрического состояния цитоплазматической мембраны. Оно запускает специфическую для каждой ткани функцию. Возбуждение мембраны мышц вызывает их сокращение, в нервной системе возбуждение мембраны клетки вызывает его проведение по аксонам, в железистой ткани приводит к секреции. Все ткани организма в зависимости от клеток, из которых они состоят, делятся на электровозбудимые, хемовозбудимые и механовозбудимые, т. е. на те, которые под действием того или иного раздражителя меняют электрическое состояние мембраны. 3 Возбуждение вызывается электрическими процессами на мембране клетки. Поэтому механизмы, лежащие в его основе, моделируют при помощи эквивалентных электрических схем, а при изучении возбудимых тканей используют электронно-измерительную аппаратуру. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕРВНОЙ КЛЕТКИ Универсальным свойством живой материи является раздражимость, т.е. способность активно отвечать на внешнее воздействие той или иной формой деятельности, например, усилением метаболизма и роста, ускорением деления и т. д. Частным случаем раздражимости является возбудимость. Возбудимость — это свойство клеток отвечать возбуждением в ответ на раздражение. К возбудимым клеткам относятся нервные, мышечные и железистые клетки. Невозбудимыми тканями являются эпителиальная и соединительная (собственно соединительная, ретикулярная, жировая, хрящевая, костная и гемотопоэтические ткани в совокупности с кровью), клетки этих тканей не отвечают вожбуждением при действии на них раздражителя. Раздражитель — это любое изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. По своей природе раздражители бывают физические (электрические, механические, температурные, световые) и химические. В зависимости от степени чувствительности клеток к тому или иному раздражителю их подразделяют на адекватные и неадекватные. Адекватный раздражитель — это такой раздражитель, чувствительностью к которому вследствие клетка наличия обладает специальных наибольшей структур, воспринимающих этот раздражитель. Адекватным раздражителем нейронов являются медиаторы и электрические импульсы. 4 Из всех видов раздражителей в эксперименте чаще используют электрический, поскольку он является универсальным, его легко дозировать по силе, длительности, частоте и крутизне нарастания, силе стимула. Раздражитель вызывает возбуждение только тогда, когда его сила равна или превышает определеннную величину – порог раздражения. Возбудимость обратно пропорциональна порогу раздражения. Проводимость — это способность ткани и клетки проводить возбуждение. Процессы возбуждения и торможения нервных клеток (электрические явления) обеспечивают выполнение их функцй. ОТКРЫТИЕ «ЖИВОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА» И ЕГО СУЩНОСТЬ В конце XVIII в. (1786) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов (рис. 1), положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая с помощью медного крючка на железной решетке препарат задних лапок лягушек со снятой кожей, ученый обнаружил, что всякий раз, когда мышцы касались решетки, они отчетливо сокращались. Л. Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нервы. 5 Рис. 1. Открытие «животного» электричества Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта — оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов: меди и железа (гальваническая пара) — с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л. Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Во втором опыте были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества». Регистрация биоэлектрических явлений впервые была осуществлена Маттеучи в 1838 г. с помощью гальванометра, одна из клемм которого присоединялась к поврежденному участку мышцы, другая — к неповрежденному. При этом стрелка гальванометра отклонялась (ток покоя). Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки гальванометра в прежнее (нулевое) положение. Маттеучи впервые показал, что наружная поверхность мышцы заряжена 6 электроположительно по отношению к ее внутреннему содержимому и эта разность потенциалов, свойственная состоянию покоя (ток покоя), резко падает при возбуждении (однофазный ток действия). Если оба электрода гальванометра приложить к неповрежденной мышце на некотором расстоянии друг от друга и нанести раздражение на один конец мышцы, то стрелка гальванометра сначала отклоняется в одну сторону, затем — в другую (регистрируется двухфазный ток действия). Маттеучи произвел также опыт, известный под названием опыта вторичного сокращения: при накладывании на сокращающуюся мышцу нерва второго нервно-мышечного препарата его мышца тоже начинает сокращаться. Результат опыта Маттеучи объясняется тем, что возникающий в мышце при ее возбуждении потенциал действия оказывается достаточно сильным, чтобы вызвать возбуждение другого нерва и мышцы. В настоящее время существует много различных вариантов регистрации биоэлектрических явлений, но их можно объединить в две основные группы: по местоположению электродов (внутриклеточное и внеклеточное отведения) и по числу отводящих электродов (монополярное, биполярное, мультиполярное отведения). Электроды могут быть металлическими и стеклянными. В случае монополярного отведения, один электрод активный, второй — индифферентный, его площадь в десятки раз больше активного электрода. При внутриклеточном отведении применяется стеклянный микроэлектрод, который представляет собой микропипетку с диаметром кончика 0,5-1 мкм. Микроэлектрод заполняется ЗМ КСL. В широкую часть микроэлектрода вставляется серебряная проволочка, соединяемая с регистрирующим устройством. Индифферентным внеклеточным электродом является хлорированная серебряная пластинка. При внутриклеточном отведении клетка способна функционировать в течение нескольких часов. Микроэлектродный способ регистрации биопотенциалов позволил изучить механизмы создания клеткой 7 электрических зарядов, возникновения возбуждения в живых клетках. Однако, еще в конце ХIХ века, задолго до появления микроэлектродной техники, стало ясно, «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирования мембранного потенциала покоя (МПП или ПП) и потенциала действия (ПД). Сущность процесса возбуждения заключается в следующем. Все клетки организма имеют электрический заряд, обеспечиваемый неодинаковой концентрацией анионов и катионов внутри и вне клетки. Различная концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки является следствием работы ионных насосов и неодинаковой проницаемости клеточной мембраны для разных ионов. При действии раздражителя на клетку возбудимой ткани изменяется проницаемость ее мембраны (обычно сначала повышается для Nа+ и быстро возвращается к норме, затем также, но более медленно изменяется для К+), вследствие чего ионы быстро перемещаются в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту (совокупность концентрационного и электрического градиентов). Таким образом, эта ответная реакция возбудимой клетки на раздражение, выражающаяся в быстром перемещении ионов в клетку и из клетки согласно электрохимическому градиенту, и есть возбуждение, основой которого является потенциал покоя. 8 ИОННЫЕ КАНАЛЫ Все электрические процессы разворачиваются на цитоплазматической мембране. Клеточные мембраны состоят из жидкой фазы липидов и встроенных в липиды белковых молекул (рис. 2). Молекулы липидов организованы в двухслойную мембрану (бислой) толщиной около 6 нм. Рис. 2. Строение клеточной мембраны Полярные гидрофильные головки липидов обращены к поверхностям мембраны, а гидрофобные хвосты вытянуты к середине бислоя. Изнутри клеточная мембрана гиалоплазмы, выстлана практически тонким лишенной более плотным органелл. На слоем внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество углеводов, молекулы которых соединены либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды) и образуют гликокаликс. Углеводы участвуют в процессах рецепции биологически активных веществ, реакциях иммунитета. 9 Структурную основу клеточной мембраны составляет бимолекулярный слой фосфолипидов, являющихся барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны нейрона – до 1000 Ом/ см2. Белки, встроенные в фосфолипидный матриксобъединяются в следующие классы: структурные белки, переносчики, ферменты, белкиканалы, ионные насосы, специфицеские рецепторы. Один и тот же белок может выполнять разные функции. Ионные каналы образованы белковыми молекулами, пронизывающими мембрану. Они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Классификация ионных каналов Проводится по нескольким признакам. 1. По возможности управления их функцией различают управлявмые и неуправляемые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам, которые могут быть быстрыми и медленными. Потенциал действия в нейроне возникает в основном вследствие активации быстрых Nа- и К-каналов. Управляемые каналы имеют ворота с механизмами их управления, поэтому ионы могут проходить только при открытых воротах. 2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные центральной каналы, нервной потенциалчувствительные взаимодействии хемочувствительного основными системы и лиганда канала, каналами (ЦНС) хемочувствителъные (медиатора) расположенного нейронов являются каналы. с При рецепторами на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому 10 хемочувствительный канал называют также рецепторуправляемым каналом. Лиганд — это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие ворот хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд. 3. В зависимости от селективности различают ионоселективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Nа-, К-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Nа+, К+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (ре- цепторзависимых) каналов постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Nа+ и К+. 4. Для одного и того же иона может существовать несколько видов каналов. Наиболее важными из них для формирования биопотенциалов являются следующие. Каналы для К+. Калиевые неуправляемые каналы покоя (каналы утечки), через которые постоянно выходит К+ из клетки, что является главным фактором в формировании мембранного потенциала покоя. Потенциалчувствительные управляемые К-каналы сравнительно медленно активируются при возбуждении клетки в фазу деполяризации с последующим увеличением активации, что обеспечивает быстрый выход К+ из клетки и реполяоизацию ее (генерация потенциала действия). 11 Каналы для Na+ — медленные (утечки) и быстрые: 1) быстрые Naканалы потенциалчувствительны, быстро активирующиеся при уменьшении мембранного потенциала, что обеспечивает вход Nа+ в клетку во время ее возбуждения (восходящая часть потенциала действия). Затем эти каналы быстро инактивируются; 2) медленные неуправляемые Nа-каналы — каналы утечки, через которые Nа+ постоянно диффундирует в клетку и переносит с собой другие молекулы, например глюкозу, аминокислоты, молекулы-переносчики. Таким образом, Nа-каналы утечки обеспечивают вторичный транспорт веществ и участие Nа+ в формировании мембранного потенциала. Устройство ионных каналов и их функционирование Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы — и воротный механизм, каналы заполнены жидкостью, их размеры 0,3 — 0,8 нм (рис. 3). Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают, что обеспечивает проход иона через данный канал (одноименные заряды, как известно, отталкиваются). 12 Рис. 3.Устройство ионного канала Через ионные каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал, должны избавиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала. Диаметр иона Nа+, например, с гидратной оболочкой равен 0,3 нм, а без гидратной оболочки — 0,19 нм. Слишком мелкий ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал. Однако, по-видимому, имеются и другие механизмы селективности клеточной мембраны. Гипотеза «просеивания» не дает ответ, например, на вопрос: почему К+ не проходит через открытые Nаканалы в начале цикла возбуждения клетки? Но тем не менее она дает удовлетворительное, а в некоторых случаях и абсолютно убедительное объяснение избирательной (селективной) проницаемости клеточных мембран для разных частиц и ионов. 13 Рис. 4. Гипотетическая модель потенциалуправляемого Na+-канала Особенности функционирования различных видов управляемых каналов Во-первых, они отличаются по степени селективности. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов. Во-вторых, у каналов разных видов может наблюдаться или отсутствовать деполяризация взаимодействие клеточной хемочувствительных между собой. мембраны каналов может Так, за счет привести к частичная активации активации потенциалчувствительных каналов, например для ионов Nа+, что обеспечивает возбуждение потенциалчувствительных каналов нейрона. не Активация влияет на же функцию хемочувствительных каналов. Ионные каналы блокируются специфическими веществами и фармакологическими препаратами. 14 Рис. 5. Потенциалуправляемый Na+-канал. Канал представлен как трансмембранная макромолекула с отверстием, проходящим насквозь через центр. Функциональные области ионного канала – селективный фильтр, ворота и сенсор напряжения – определены на основе электрофизиологических экспериментов Рис.6 . Упрощенная схема работы потенциалуправляемого Na+-канала, имеющего активационные и инактивационные ворота 15 МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ Рис. 7. Структуры мембраны, формирующие потенциал покоя. Представлена мембрана клетки с Na+-каналами, K+-каналами, каналами утечки и Na+/K+АТФазой, которая одновременно выкачивает ионы Na+ из клетки и вводит ионы K+ в клетку против его электрохимического градиента. Таким образом осуществляется формирование отрицательного внутриклеточного потенциала мембраны клетки – потенциала покоя. Механизм потока ионов Na+ и K+ при потенциале покоя определяется каналами утечки, через которые осуществляется незначительный вход ионов Na+ в клетку и превышающий его выход ионов K+ из клетки. В покое потенциалуправляемые Na+-каналы и K+-каналы закрыты, однако существует гипотеза, что эти каналы стохастически открываются и закрываются («хлопают») и в условиях покоя. При этом вероятность открытия K+-каналов превышает вероятность открытия Na+-каналов Мембранный потенциал покоя (МПП) — это разность между электрическими потенциалами внутри и вне клетки в состоянии покоя. Его величина обычно варьирует в пределах 30 — 90 мВ (в волокнах скелетной мышцы — 60 — 90 мВ, в нервных клетках — 50 — 80 мВ, в гладких мышцах — 30 — 70 мВ, в сердечной мышце — 80 — 90 мВ). При регистрации ПП луч осциллографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом скачком отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки. ПП играет исключительно важную роль в жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. В частности, он составляет основу возбуждения и переработки информации нервной клеткой, обеспечивает регуляцию деятельности внутренних органов и опорно-двигательного аппарата посредством запуска процессов возбуждения и сокращения в мышце. Нарушение процессов в кардиомиоцитах ведет к остановке сердца. 16 Согласно мембранно-ионной теории непосредственной причиной формирования МПП является неодинаковая концентрацияанионов и катионов внутри и вне клетки. В нервных и мышечныхклетках концентрация К+ внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Nа+ вне клетки в 10-12 раз больше, чем внутри клетки. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны, вследствие неодинаковой проницаемости мембраны для различных ионов и транспортирующих в ионы результате в клетку работы и из ионных насосов, клетки вопреки концентрационному и электрическому градиенту. Органические анионы из-за своих больших размеров не могут выходить из клетки, поэтому внутри клетки в состоянии покоя отрицательных ионов оказывается больше, чем положительных. По этой причине клетка изнутри имеет отрицательный заряд. Интересно, что во всех точках клетки отрицательный свидетельствует заряд одинаковая практически величина одинаков. МПП при Об этом введении микроэлектрода на разную глубину внутрь клетки, как это имело место в опытах Ходажина, Хаксли и Катца. Гигантский аксон кальмара (его диаметр около 1 мм) в этом опыте находился в морской воде, один электрод вводился в аксон, другой помещали в морскую воду. Заряд внутри клетки является отрицательным как абсолютно (в гиалоплазме клетки содержится больше анионов, нежели катионов), так и относительно наружной поверхности клеточной мембраны. Однако превышение абсолютного числа анионов в клетке по сравнению с числом катионов весьма незначительно, но этого различия достаточно для создания разности электрических потенциалов внутри и вне клетки. Главным ионом, обеспечивающим формирование МПП, является ион К+, о чем свидетельствуют результаты опыта с перфузией внутреннего содержимого гигантского аксона кальмара солевыми растворами. При уменьшении концентрации К+ в перфузате МПП уменьшается, при 17 увеличении концентрации К+ ПП увеличивается. В покоящейся клетке устанавливается динамическое равновесие между числом выходящих из клетки и входящих в клетку ионов К+. Электрический и концентрационный градиенты противодействуют друг другу: согласно концентрационному градиенту К+ стремится выйти из клетки, а отрицательный заряд внутри клетки и положительный заряд наружной поверхности клеточной мембраны препятствуют этому. Когда концентрационный и электрический градиенты уравновесятся, число выходящих из клетки ионов К+ становится равным числу входящих ионов К+ в клетку. В этом случае на клеточной мембране устанавливается так называемый равновесный калиевый потенциал. Равновесный потенциал для любого иона можно рассчитать по формуле Нернста. При температуре 37°С равновесный потенциал для К+ с учетом оотношения концентрации его снаружи и изнутри (1/39) и валентности 1, равен -97 мВ. Однако реальный ПП миоцита теплокровного животного несколько меньше — около -90 мВ. Это объясняется тем, что в создании ПП принимают участие и другие ионы, хотя их роль менее значительна по сравнению со значением иона К+. В целом ПП - это производное равновесных потенциалов всех ионов, находящихся внутри и вне клетки, и поверхностных зарядов мембраны клетки. Вклад Na+ и Сl- в создание ПП. Проницаемость клеточной мембраны в покое для Nа+ очень низкая, намного ниже, чем для К+, тем не менее она имеет место, поэтому ионы Nа+ согласно концентрационному и электрическому градиентам стремятся и в небольшом количестве проходят внутрь клетки. Это ведет к уменьшению ПП, так как на внешней поверхности клеточной мембраны суммарное число положительно заряженных ионов уменьшается, хотя и незначительно, а часть отрицательных ионов внутри клетки нейтрализуется входящими в клетку положительно заряженными ионами Nа+. Вход Na+ внутрь клетки уменьшает ПП. Влияние Сl- на величину ПП противоположно 18 влиянию Na+ и зависит от проницаемости клеточной мембраны для Сl(она в 2 раза ниже, чем для К+). Дело в том, что Сl- согласно концентрационному градиенту стремится и проходит в клетку. Концентрации ионов К+ и Сl- близки между собой. Но Сl- находится в основном вне клетки, а К+ — внутри клетки. Препятствует входу Сl- в клетку электрический градиент, поскольку заряд внутри клетки отрицательный, как и заряд Сl-. Наступает равновесие сил концентрационного градиента, способствующего входу Сl- в клетку, и электрического градиента, препятствующего входу Сl- в клетку. Поэтому внутриклеточная концентрация Сl- равна всего лишь 5 — 10ммоль/л, а вне клетки — 120 -130 ммоль/л. При поступлении С1внутрь клетки число отрицательных зарядов вне клетки несколько уменьшается, а внутри клетки увеличивается: Сl- добавляется к крупным анионам белковой природы, находящимся внутри клетки. Эти анионы из-за своих больших размеров не могут пройти через каналы клеточной мембраны наружу клетки — в интерстиций. Таким образом, Сl-, проникая внутрь клетки, увеличивает ПП. Частично, как и вне клетки, Nа+ и Сl- внутри клетки нейтрализуют друг друга, вследствие чего совместное поступление Nа+ и Сl- внутрь клетки существенно не сказывается на величине ПП. Роль поверхностных зарядов клеточной мембраны и ионов Са2+ в формировании ПП Наружная и внутренняя поверхности клеточной мембраны несут собственные электрические заряды, преимущественно с отрицательным знаком. Это полярные молекулы клеточной мембраны: гликолипиды, фосфолипиды, гликопротеиды. Фиксированные наружные отрицательные заряды, нейтрализуя положительные заряды внешней поверхности мембраны, уменьшают ПП. Фиксированные внутренние отрицательные заряды клеточной мембраны, напротив, суммируясь с 19 анионами внутри клетки, увеличивают ПП. Роль ионов Са2+ в формировании ПП заключается в том, что они взаимодействуют с наружными отрицательными фиксированными зарядами мембраны клетки и отрицательными карбоксильными группами интерстиция, нейтрализуя их, что ведет к увеличению и стабилизации ПП. Таким образом, ПП — это алгебраическая сумма не только всех зарядов ионов вне и внутри клетки, но и отрицательных внешних и внутренних поверхностных зарядов самой проницаемости клеточной клеточной мембраны в мембраны. Роль происхождении ПП иллюстрируется на модельном опыте. Сосуд разделен полупроницаемой мембраной. Обе его половины заполнены раствором К2SО4 различной концентрации (С1 и С2), причем С1< С2. Мембрана проницаема для К+ и непроницаема для SО42- . Ионы К+ перемещаются согласно концентрационному градиенту из раствора С2 в раствор С1/ Поскольку ионы SО42- не могут пройти в раствор С1 где их концентрация тоже ниже, мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями возникает разность электрических потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу (Ек). В растворе С2 остается больше отрицательных зарядов, а в растворе С1 становится больше положительных зарядов. При проведении измерений потенциал окружающей клетку среды принимают за величину, равную нулю. Относительно нулевого потенциала внешней среды потенциал внутренней среды клетки, как отмечалось выше, составляет величину порядка -60...-90 мВ. Повреждение клетки приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, в результате чего различие проницаемости для К+ и Nа+ уменьшается, ПП при этом снижается. Подобные изменения встречаются при ишемии ткани, например миокарда. У сильно поврежденный клеток ПП может снизиться до уровня доннановского равновесия, когда концентрация ионов внутри и вне клетки 20 определяется только избирательной проницаемостью клеточной мембраны в покое клетки, что может привести к нарушению электрической активности клеток органа в целом или его части. Однако и в норме происходит перемещение ионов согласно электрохимическому градиенту. Рис.8. (а) Схема установки для измерения мембранного потенциала покоя. (б) Потенциал покоя на экране осциллографа. (в) Эквивалентная схема измерения потенциалов на мембране клетки: Е1 – микроэлектрод, Е2 – мембрана клетки, являющаяся источником сигнала, Rмэ – сопротивление микроэлектрода, Rм – входное сопротивление клетки, См – емкость мембраны клетки 21 Рис. 9. Соотношение между скоростью транспорта молекул через мембрану клетки и их концентрацией при диффузии и насосном транспорте Уравнение Нернста K+ нар RT E = ln k F K + вн R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж×моль×К–1; Т – абсолютная температура; F – число Фарадея, равное 96500 Кл на 1 моль одновалентного иона или 1 грамм-эквивалент многовалентного иона. Кнар и Квн – концентрация ионов калия снаружи и внутри клетки. Расчет равновесных потенциалов для ионов натрия, калия, кальция и хлора K + K + нар нар RT RT E = ln = 2,3 log = k nF + + F K K вн вн K + нар 20 = 58log = 58log = -75мВ + 400 K вн + Na Na + нар нар RT RT E Na = ln = 2,3 log = + + nF F Na Na вн вн Na + нар 440 = 58log = 58log = +55мВ + 50 Na вн Уравнение мембранного потенциала покоя (Гольдмана) P K + + PNa Na + + P Cl- нар k Cl нар нар RT Vm = ln F P K + + PNa Na + + P Cl- вн k Cl вн вн P : PNa : P = 1: 0,04 : 0,45. k Cl 22 Значение потенциала покоя у разных клеток варьирует в широких пределах, близких к Ек. Небольшие отклонения от Ек обусловлены незначительной проницаемостью мембраны для натрия. В этом уравнении учитывается концентрация трех главных ионов и величины относительной проницаемости мембраны для них. АКТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ Рис. 10. Подавление потока 24Na+ из клетки при охлаждении (А), при действии динитрофенола (ДНФ, Б) в результате активного переноса против градиента концентрации Рис. 11. Na+/K+-АТФаза. Работа насоса блокируется дыхательными ядами (цианиды), сердечными гликозидами и в условиях гипоксии 23 РОЛЬ ИОННЫХ НАСОСОВ В ФОРМИРОВАНИИ МПП В результате непрерывного перемещения различных ионов через клеточную мембрану их концентрация внутри и вне клетки постепенно должна выравниваться. Однако, несмотря на постоянную диффузию ионов (утечку ионов), МПП клеток остается на одном уровне. Следовательно, кроме собственно ионных механизмов формирования ПП, связанных с различной проницаемостью клеточной мембраны, имеется активный механизм поддержания градиентов концентрации различных ионов внутри и вне клетки. Им являются ионные насосы, в частности Nа/К-насос (помпа). Ионный насос — это транспортная система, обеспечивающая перенос иона с непосредственной затратой энергии вопреки концентрационному и электрическому градиентам. Если заблокировать освобождение энергии, например динитрофенолом, то в течение 1 ч выведение Nа+ из клетки сократится примерно в 100 раз. Как выяснилось, выведение Nа+ сопряжено с транспортом К+, что можно продемонстрировать при удалении К+ из наружного раствора. Если К+ на наружной стороне мембраны нет, работа насоса блокируется, перенос Nа+ из клетки в этом случае падает, составляя примерно 30% от нормального уровня. Сопряженность транспорта Nа+ и К+ уменьшает расход энергии примерно в 2 раза по сравнению с той, которая потребовалась бы при несопряженном транспорте. В целом траты энергии на активный транспорт веществ огромны: лишь N(1/ К- насос потребляет 1/3 всей энергии, расходуемой организмом в покое. За 1 с один Nа/ К-насос (одна молекула белка) переносит 150 — 600 ионов Nа+. Накопление Nа+ в клетке стимулирует работу Nа/К-насоса, уменьшение Nа+ в клетке снижает его активность, поскольку снижается вероятность контакта ионов с соответствующим переносчиком. В результате сопряженного транспорта Na+ и К+ поддерживается 24 постоянная разность концентраций этих ионов внутри и вне клетки. Одна молекула АТф обеспечивает один цикл работы Nа/К-насоса: перенос трех ионов Nа+ за пределы клетки и двух ионов К+ внутрь клетки. Асимметричный перенос ионов Nа/К-насосом поддерживает избыток положительно заряженных частиц на наружной поверхности клеточной мембраны и отрицательных зарядов внутри клетки, что позволяет считать К-насос Nа/ электрогенной структурой, дополнительно увеличивающей ПП примерно на 5 — 10 мВ ( в среднем около 10% у разных возбудимых клеток: у одних - больше, у других — меньше). Данный факт свидетельствует о что решающим фактором в формировании МПП является селективная проницаемость клеточной мембраны для разных ионов. За счет работы Na/К-помпы ПП будет составлять только 5 — 10 мВ. Нормальная величина ПП является необходимым условием возникновения процесса возбуждения клетки, т.е. возникновения и распространения потенциала действия, инициирующего специфическую деятельность клетки. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ (ПД) Потенциал действия — это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затухания). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами, в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения. Схематично ПД представлен на рис. 12, 13. 25 Рис. 12. Изменение мембранного потенциала в зависимости от силы раздражения: а – потенциал покоя; б – пассивный электротонический потенциал; в – локальный ответ; г – потенциал действия 26 Рис. 13. Локальный ответ нервного волокна. Кривые 1, 2 – пассивный электротонический потенциал, вызываемый увеличивающимися по амплитуде деполяризующими импульсами электрического тока. На кривых 3, 4, 5 к нему присоединяется деполяризация в форме локального ответа. При пороговой силе тока локальный ответ перерастает в потенциал действия (кривая 6) 27 Рис. 14. Потенциал действия нервной клетки, его главные фазы и следовые потенциалы. Ec – критический (пороговый) потенциал 28 Рис. 15. Фазовые изменения возбудимости и их связь с потенциалами действия трех типов клеток: нервной (а), мышечной (б) и миокардиальной (в). При потенциале покоя возбудимость принята за 100 %, во время фазы абсолютной рефрактерности – за 0 %. Тестовый импульс электрического тока имеет прямоугольную форму 29 ИОННЫЕ КАНАЛЫ И ТОКИ Рис. 16. Метод фиксации потенциала применительно к аксону кальмара. Мембранный потенциал (Vm) регистрируется между электродами C и D и подается на усилитель потенциала, связанный с осциллографом. С помощью электронной схемы с обратной связью он поддерживается на необходимом экспериментатору уровне путем пропускания тока между электродами А и В. При помощи генератора прямоугольных импульсов электрического тока поддерживаемый потенциал можно смещать до некоторой новой величины и удерживать на этом уровне также с помощью электронной схемы с обратной связью. Ток, протекающий через этот участок мембраны при поддерживаемом потенциале или под влиянием приложенного напряжения (Im), измеряют отдельным усилителем тока, также связанным с измерительным прибором 30 Рис.17. Различные типы потенциалов действия Характеристика ПД. Величина ПД колеблется в пределах 80-130 мВ, длительность пика ПД нервного волокна 0,5 — 1 мс, волокна скелетной мышцы — до 10 мс с учетом замедления деполяризации в ее конце. Длительность ПД сердечной мышцы 300 — 400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения, она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений, т. е. закону силы. При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает. В составе ПД различают три фазы: 1 - деполяризация, уменьшение мембранного потенциала до нуля; 2 — инверсия с овершутом, т.е. изменение зарядя клетки на обратный, когда внутренняя 31 сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя — отрицательно; 3 — реполяризация, т.е. восстановление исходного заряда клетки, когда внутри клетки заряд снова становится отрицательным, а снаружи — положительным; 4 – следовые потенциалы. Механизм возникновения ПД. Фазы потенциала действия Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее процесс развития ПД вызывает фазовые изменения проницаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движение Na+ в клетку, а К+ — из клетки. Это наиболее часто встречаемый вариант возникновения ПД. Величина мембранного потенциала при этом сначала уменьшается до нуля, изменяет знак заряда, а затем снова восстанавливается до исходного уровня. На экране осциллографа отмеченные изменения мембранного потенциала предстают в виде пикового потенциала — ПД, возникающего вследствие накопленных и поддерживаемых ионными насосами градиентов концентраций ионов внутри и вне клетки, т.е. за счет потенциальной энергии в виде электрохимических градиентов ионов. Если заблокировать процесс выработки энергии, ПД некоторое время будет возникать. Но после исчезновения концентрационных градиентов ПД не генерироваться будет. Фаза деполяризации. При действии деполяризующего раздражителя на клетку, например, электрического тока, начальная частичная деполяризация клеточной мембраны происходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполяризация достигает примерно 50% пороговой величины (50% порогового потенциала), возрастает проницаемость мембраны клетки для Nа+, причем в первый момент сравнительно медленно. Естественно, что скорость входа Nа+ в клетку 32 при этом невелика. В этот период, как и во время всей первой фазы (деполяризации), движущей силой, обеспечивающей вход Na+ в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напомним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные заряды притягиваются друг к другу), а концентрация Na+ вне клетки в 10 — 12 раз больше, чем внутри клетки. Условием, обеспечивающим вход Nа+ в клетку, является увеличение проницаемости клеточной мембраны, которая определяется состоянием воротного механизма Nа-каналов (в некоторых клетках, в частности в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са2+). Длительность пребывания электроуправляемого канала в открытом состоянии зависит от величины мембранного потенциала. Суммарный ток ионов в любой момент определяется числом открытых каналов клеточной мембраны. Часть ионного канала, обращенная во внеклеточное пространство, отличается от части канала, обращенной внутрь клеточной среды. Воротный механизм Nа-каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны, воротный механизм К-каналов — на внутренней (К+ движется из клетки наружу). В каналах для Na+ имеются активационные h-ворота, которые расположены с внешней стороны клеточной мембраны (Nа+ движется внутрь клетки во время ее возбуждения), и инактивационные m-ворота, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В условиях покоя активационные h-ворота закрыты, инактивационные m-ворота преимущественно (около 80%) открыты; закрыты также калиевые ворота. Некоторые авторы m-ворота называют быстрыми, h-ворота медленными, поскольку они в процессе возбуждения клетки реагируют позже, нежели m-ворота. Однако более поздняя реакция h-ворот связана с изменением заряда клетки, как и m-ворот, которые открываются в процессе деполяризации клеточной мембраны. Закрываются h-ворота в фазу 33 инверсии, когда заряд внутри клетки становится положительным, что и является причиной их закрытия. При этом нарастание пика ПД прекращается. Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр, критический уровень деполяризации — КУД), которая обычно составляет -50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых m-ворот Na-каналов и Nа+ лавинообразно устремляется в клетку. Через один открытый Nа-канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Nа+ внутрь клетки процесс деполяризации Развивающаяся деполяризация дополнительное увеличение ее проходит очень быстро. клеточной мембраны проницаемости и, вызывает естественно, проводимости Nа+: открываются все новые и новые активационные mворота Nа-каналов, что придает току Nа+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается. Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Nа+ в клетку продолжается (m-ворота Nа-каналов еще открыты), поэтому число положительных ионов в клетке превосходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки становится положительным, снаружи — отрицательным. Процесс перезарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия — фазу инверсии. Теперь электрический градиент препятствует входу Na+ внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), Nа-проводимость снижается. Тем не менее некоторое время (доли миллисекунды) Nа+ продолжает входить в клетку, о чем свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрационный градиент, обеспечивающий движение Nа+ в клетку, сильнее электрического, препятствующее входу Nа+ в клетку. Во время деполяризации 34 мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са2+, который также идет в клетку, но в нервных волокнах, нейронах и клетках скелетной мускулатуры роль Са2+ в развитии ПД мала. В клетках гладкой мышцы ц миокарда его роль существенна. Таким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случаев обеспечивается в основном входом Na+ в клетку. Примерно через 0,5 — 2 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается в результате закрытия натриевых инактивационных h-ворот (см. рис. 3.4) и открытия ворот К-каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для К+ и резкого возрастания выхода его из клетки. Препятствует также росту пика ПД снижение электрического градиента Nа+ (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К+ из клетки по каналам утечки. Поскольку К+ находится преимущественно внутри клетки, он согласно концентрационному градиенту быстро выходит из нее, вследствие чего уменьшается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. Во время нисходящей составляющей фазы инверсии выходу К+ из клетки способствует также и электрический градиент, К+ выталкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки. Так продолжается до полного исчезновения положительного заряда внутри клетки (до конца фазы инверсии, когда начинается следующая фаза ПД — фаза реполяризации. Таким образом, изменение мембранного потенциала покоя ведет к последовательному открытию или закрытию электроуправляемых ворот ионных каналов и движению ионов согласно электрохимическому градиенту — возникновению ПД. Все фазы являются регенеративными: необходимо только достичь критического уровня деполяризации, далее ПД развивается за счет потенциальной энергии клетки в виде электрохимических градиентов. 35 Амплитуда ПД складывается из величины МПП (потенциала покоя) и величины фазы инверсии с овершутом, составляющей у разных клето 10 - 50мВ. Фаза реполяризации связана с тем, что проницаемость клеточной мембраны для К+ высока (ворота калиевых каналов открыты), К+ продолжает быстро выходить из клетки согласно концентрационному градиенту. Поскольку клетка теперь снова внутри имеет отрицательный заряд, а снаружи — положительный, электрический градиент препятствует выходу К+ из клетки, что снижает его проводимость, хотя он продолжает выходить. концентрационного Это градиента объясняется выражено тем, что действие значительно сильнее электрического градиента. Таким образом, вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом К+ из клетки. Нередко в конце ПД наблюдается замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для К+ и замедлением выхода его из клетки из-за закрытия ворот К-каналов. Следующая причина замедления тока К+ из клетки связана с возрастанием положительного потенциала наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента. При наличии определенного ПП, как следует из описанных механизмов, ПД не должен возникать, если клетку перенести в солевой раствор, не содержащий Ка+, что и было продемонстрировано в экспериментах. Если аксон помещать в растворы с различной концентрацией Nа+, величина ПД будет уменьшаться с уменьшением концентрации Na+ в окружающей нервное волокно среде. ПД также уменьшается, если частично заблокировать Nа-каналы тетродотоксином. При их полной блокаде ПД вообще не возникает. Возможность временного нарушения работы Nа-каналов широко используется в клинической практике. Так, с помощью местных анестетиков расстраивается механизм управления 36 ворот Nа-каналов. Это приводит к прекращению проведения возбуждения в соответствующем участке нерва, устранению болевых ощущений, например при хирургических вмешательствах. Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Na+, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Na+ в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возникает. Однако проницаемость мембраны для К+ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для К+ предотвратить тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К+ будет выходить из клетки. Роль Са2+ в возникновении ПД в нервных и мышечных клетках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са2+ играет важную роль в возникновении ПД сердечной и гладкой мышц, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного волокна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения. Снижение соержания Са2+ в крови на 50% может привести к судорожным сокращениям скелетных мышц. Следовые явления в процессе возбуждения клетки. В конце ПД для нервных клеток может быть зарегистрирована гиперполяризация клеточной мембраны. Это явление называют положительным следовым потенциалом. Вслед за ним может возникнуть частичная деполяризация клеточной мембраны, которую называют отрицательным следовым потенциалом. Следовая гиперполяризация клеточной мембраны обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости клеточной мембраны для К+, она характерна для нейронов. Ворота К-каналов еще не полностью закрыты, поэтому К+ продолжает выходить из клетки 37 согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гиперполяризации клеточной мембраны. Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и калиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембранный потенциал становится таким же, каким он был до возбуждения клетки. Nа/К-помпа непосредственно за фазы потенциала действия не отвечает, хотя она и продолжает работать во время развития ПД: ионы перемещаются с огромной скоростью согласно концентрационному и частично электрическому градиентам. Возможно помпа способствует развитию следовой гиперполяризации. В некоторых клетках, например в тонких немиелинизированных нервных волокнах (болевых афферентах) хорошо выражена длительная следовая гиперполяризация. Она обеспечивается работой Na/К-насоса, активируемого процессом возбуждения (накопившимся в клетке Nа+: на каждые 2К+, возвращаемые в клетку, выводится ЗNа+ из клетки). Если блокировать выработку энергии, то эта гиперполяризация исчезает. Следовая деполяризация характерна для нейронов и клетjr скелетной мышцы. Механизм следовой деполяризации изучен недостаточно. Возможно, Это связано с кратковременным повышением проницаемости клеточной мембраны для Nа+ и входом его в клетку согласно концентрационному и электрическому градиентам. Исследование ионных токов. Запас ионов в клетке. ПД обусловлен циклическим процессом входа Na+ в клетку и последующим выходом калия из клетки, что является следствием активации и инактивации Nа- и К-каналов, т.е. изменением проницаемости клеточной мембраны. Наиболее распространенным методом изучения функций ионных каналов является метод фиксации напряжения (voltage-clamp). 38 Мембранный потенциал с помощью подачи электрического напряжения изменяют и фиксируют на определенном уровне, затем клеточную мембрану градуально деполяризуют, что ведет к открытию ионных каналов и возникновению ионного тока, который мог бы деполяризовать клетку. Однако при этом пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по знаку ионному току, поэтому трансмембранная разность потенциалов не изменяется. Это дает возможность Применение изучить величину различных ионного блокаторов тока через ионных мембрану. каналов дает дополнительную возможность более глубоко изучить свойства каналов. Количественное соотношение между ионными токами по отдельным каналам в покое клетки, во время ПД и их кинетику можно выяснить с помощью метода локальной фиксации потенциала (patch clamp). К мембране подводят микроэлектрод-присоску (внутри его создается разрежение) и, если на этом участке оказывается канал, исследуют ионный ток через него. В остальном методика подобна предыдущей. И в этом случае применяют специфические блокаторы каналов. В частности, при подаче на мембрану фиксированного деполяризующего потенциала было установлено, что через Na-каналы может проходить и К+, но его ток в 10 — 12 раз меньше, а через К-каналы может проходить Nа+, его ток в 100 раз меньше, чем К+. В гладкомышечных клетках в генезе восходящей части ПД ведущую роль играет Са2+, поступающий в клетку; в кардиомиоцитах Са2+ играет важную роль в развитии плато ПД. Запас ионов в клетке, обеспечивающих возникновение возбуждения (ПД}, огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяются. Клетка может возбуждаться до 5·105 раз без подзарядки, т.е. без работы Na/К-насоса. Число импульсов, которое генерирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов Чем толще нервное 39 волокно, тем больше запас ионов, тем больше импульсов оно может генерировать (от нескольких сот до нескольких сотен тысяч) без участия Ка/К-насоса. Однако в тонких С-волокнах на возникновение одного ПД расходуется около 1% концентрационных градиентов Nа+ и К+. Если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться и в этом случае. В реальной же действительности Nа/Кнасос постоян но переносит Nа+ из клетки, а К+ возвращает в клетку, в результате чего постоянно поддерживается концентрационный градиент Na+ и К+, что осуществляется за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ. Имеются данные, что увеличение внутриклеточной концентрации Nа+ сопровождается увеличением интенсивности работы Nа/К-насоса. Это может быть связано с тем, что для переносчика становится доступно большее количество внутриклеточного Nа+. Локальный потенциал При раздражении возбудимой ткани не всегда возникает ПД. В частности, если сила раздражителя мала, деполяризация не достигнет критического уровня, естественно, не возникнет импульсное, т.е. распространяющееся, возбуждение. В этом случае ответ ткани на раздражение будет иметь форму локального потенциала. Локальными потенциалами возбудимых клеток также являются: возбуждающий постсинаптический потенциал, рецепторные потенциалы, тормозной постсинаптический потенциал. Величина локальных потенциалов весьма вариабельна, она может достигать 10 —40 мВ в зависимости от рода клеток и силы стимула. Свойства такого ответа существенно отличаются от потенциала действия: ● локальный ответ распространяется на 1-2 мм с затуханием, 40 ● возрастает с увеличением силы стимула, т.е. подчиняется закону «силы», ● характерно явление суммации приповторных частых подпороговых раздражениях, ● увеличивается возбудимость ткани при возникновении потенциала. Повышение возбудимости клетки во время локального потенциала объясняется тем, что клеточная мембрана оказывается частично деполяризованной. Если Екр остается на постоянном уровне, то для достижения критического уровня деполяризации во время локального потенциала нужен значительно меньшей силы раздражитель. Кроме того, при частичной деполяризации клеточной мембраны начинают активироваться Nа-каналы. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность Возбудимость клетки во время ее возбуждения быстро изменяется. Различают несколько фаз изменения возбудимости, каждая из которых строго соответствует определенной фазе ПД и также, как и фазы ПД, определяется состоянием проницаемости клеточной мембраны для ионов. 1. Кратковременное повышение возбудимости в начале развития ПД, когда уже возникла некоторая деполяризация клеточной мембраны. Если деполяризация не достигает критической величины, то регистрируется локальный потенциал. Если же деполяризация достигает Екр, то развивается ПД. Возбудимость повышена, потому что клетка частично деполяризована, мембранный потенциал приближается к критическому уровню, открывается часть потенциалчувствительных быстрых Nа-каналов. При этом достаточно небольшого увеличения силы раздражителя, чтобы деполяризация достигла Екр, при которой возникает ПД. 41 2. Фаза абсолютной рефрактерности — это полная невозбудимость клетки (возбудимость равна нулю), она соответствует пику и продолжается 1—2 мс; если ПД более продолжителен, то более продолжительна и абсолютная рефрактерная фаза. Клетка в этот период времени не отвечает на раздражения любой силы . Невозбудимость клетки в фазы деполяризации и инверсии (в первую ее половину — восходящая часть пика ПД) объясняется тем, что потенциалзависимые m-ворота Nа-каналов уже открыты и Na+ быстро поступает в клетку по всем открытым каналам. Те ворота Nа-каналов, которые еще не успели открыться, открываются под влиянием деполяризации, т.е. уменьшения мембранного потенциала. Поэтому дополнительное раздражение клетки относительно движения Nа+ в клетку ничего изменить не может. Соответственно ПД либо совсем не возникает при раздражении, если оно мало, либо возникает максимально, если достаточно сильное раздражение (пороговое или сверхпороговое). В период нисходящей фазы инверсии и реполяризации клетка невозбудима, потому что закрываются инактивационные h-ворота Nа-каналов, в результате чего клеточная мембрана непроницаема для Nа+, и открываются в большом количестве К-каналы, К+ быстро выходит из клетки, обеспечивая нисходящую часть фазы инверсии и реполяризацию. Абсолютная рефрактерная фаза продолжается в период реполяризации клетки до достижения уровня мембранного потенциала примерно Екр ± 10 мВ. Абсолютный рефрактерный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Если абсолютный рефрактерный период завершается через 2 мс после начала ПД, клетка может возбуждаться с частотой максимум 500 имп/с. Существуют клетки с еще более коротким рефрактерным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой 1000 имп/с. С такой частотой могут возбуждаться нейроны ретикулярной формации ЦНС, толстые миелиновые нервные волокна. 42 3. Фаза относительной рефрактерности — это период восстановления возбудимости клетки, когда сильное раздражение может вызвать новое возбуждение. Относительная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы реполяризации (начиная примерно от Екр±10 мВ). Пониженная возбудимость является следствием все еще повышенной проницаемости для К+ и избыточным выходом К+ из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбуждение в этот период, необходимо приложить более сильное раздражение, так как выход К+ из клетки препятствует ее деполяризации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется, то относительная рефрактерная фаза включает и период замедления реполяризации. Продолжительность относительной рефрактерной фазы вариабельна, у нервных волокон она невелика и составляет несколько миллисекунд. 4. Фаза экзальтации (супернормальная взбудимость) — это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В некоторых клетках, например в нейронах ЦНС, возможна частичная деполяризация клеточной мембраны вслед за гиперполяризацией. Очередной ПД можно вызывать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько меньше обычного, и он оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Nа+. 5. Фаза субнормальной возбудимости соответствует следовой гиперполяризации. В этот период мембранный потенциал больше и дальше отстоит от критического уровня деполяризации. Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность. Лабильность, или функциональная подвижность, — скорость протекания одного цикла возбуждения, т. е. ПД. Лабильность ткани зависит от длительности ПД: лабильность, как и ПД, определяется 43 скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. При этом особое значение имеет длительность рефрактерной фазы: чем больше рефрактерная фаза, тем ниже лабильность ткани. Мерой лабильности является максимальное число ПД, которое ткань может воспроизвести в 1 с. В эксперименте лабильность исследуют в процессе регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмического раздражения. Лабильность различных тканей существенно различается. Так, лабильность нерва равна 500 — 1000 имп/с, мышцы — около 200 имп/с, нервно-мышечного синапса — порядка 100 имп/с. Лабильность ткани понижается при длительном бездействии органа и при утомлении, а также в случае нарушения иннервации. Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается, т. е. ткань отвечает более высокой частотой возбуждения по сравнению с исходной частотой. Это явление было открыто в 1923 г. А.А.Ухтомским и получила название усвоение ритма раздражения. Оценка возбудимости клетки. Возбудимость клетки изменяется не только в процессе возбуждения, но и при изменении химического состава внеклеточной жидкости (в результате длительной высокой активности клеток, отклонения показателей внутренней среды в патологических случаях). Если ПП медленно уменьшается, например при недостатке кислорода или под действием миорелаксантов типа сукцинилхолина, развивается инактивация Nа-каналов, и клетка становится невозбудимой. При снижении концентрации ионов Nа+ вне клетки этот ион в меньшем количестве входит в клетку, в результате чего снижается ее возбудимость из-за гиперполяризации. Это 44 наблюдается при бессолевой диете, при этом может развиваться мышечная слабость. Повышение внеклеточной концентрации Na+ вызывает противоположный эффект типа повышения тонуса сосудов вследствие повышения возбудимости нервно-мышечных элементов. Возбудимость различных тканей различна: у нервных клеток выше, чем у мышечных, что используется в клинической практике (при выяснении причины двигательных нарушений). Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила, пороговое время. Рис. 18. Химическая структура блокаторов потенциалуправляемых Na+-каналов – тетродотоксина, сакситоксина (природных блокаторов) и прокаина (синтетического блокатора) Рис. 19. Химическая структура блокаторов Са2+-каналов – верапамила, нифедипина, дилтиазема и активатора BAY K 8644 45 Рис. 20. Химическая структура блокатора K+-каналов – тетраэтиламмония Рис. 21. Связь одиночного потенциала действия нервной клетки с ионными токами. (а) Потенциал действия. Прямыми линиями помечены равновесный натриевый и калиевый потенциалы. (б) Суммарный мембранный ток, который ведет к генерации потенциала действия. (в) Разделение суммарного тока на две компоненты: входящий Na+-ток через потенциалуправляемые Na+-каналы и выходящий K+-ток через потенциалуправляемые K+-каналы. Показано изменение во времени проводимости gNa и gK 46 Рис. 22. Связь потенциала действия узловой клетки сердца с ионными токами. В основе спонтанных изменений мембранного потенциала (а) в синоатриальном узле лежат три компонента тока (б): неселективный входящий ток (It), который переносится катионами и не блокируется ТТХ, медленный входящий Са2+-ток (ICa) и выходящий K+-ток (IK) 47 Рис. 23. Связь потенциала действия и самопроизвольного смещения мембранного потенциала до уровня критического потенциала с некоторыми ионными токами у нервной клетки. (а) Потенциал действия клетки с регулярной ритмической активностью. (б) Компоненты ионных токов, формирующих этот потенциал действия. Показаны входящий Na+-ток (INa), создающий фазу деполяризации потенциала действия, выходящий K+-ток (IК), формирующий фазу реполяризации потенциала действия, и быстрый транзиторный выходящий K+-ток (Ito) 48 ПРОВЕДЕНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПО НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ Рис. 24. Рост мембраны шванновской клетки вместе с ее вращением вокруг аксона нерва (а) и профиль слоев мембраны, образующий миелин (б) 49 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ПО НЕМИЕЛИНИЗИРОВАННЫМ НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ Рис. 25. Схема состояния немиелинизированного нервного волокна в покое. Зоны 1, 2, 3 содержат потенциалуправляемые Na+- и K+-каналы. Внешняя поверхность мембраны волокна заряжена положительно, внутренняя – отрицательно 50 Рис. 26. Состояние немиелинизированного нервного волокна при действии на зону 1 порогового раздражителя (верхняя часть рисунка). Раздражение зоны 1 нервного волокна приводит к открытию потенциалуправляемых Na+-каналов, что ведет к возникновению входящего Na+тока и генерации фазы деполяризации потенциала действия на этом участке аксона. Поскольку и внутриклеточная, и внеклеточная среды и даже мембрана нервного волокна (за счет каналов утечки) являются проводниками, входящий в зону 1 Na+-ток индуцирует локальные петли тока, протекающего между деполяризованной и недеполяризованной областями мембраны 51 Рис. 27. Механизм проведения возбуждения по немиелинизированному нервному волокну. Пороговая деполяризация зон 2 нервного волокна приводит к открытию потенциалуправляемых Na+-каналов; как следствие возникает входящий Na+-ток и начинается фаза деполяризации потенциалов действия (нижняя часть рисунка) на этих участках. Из-за того, что внутриклеточная, внеклеточная среды и мембрана нервного волокна за счет каналов утечки являются проводниками, входящий в зоне 1 Na+-ток индуцирует локальные петли тока, протекающего между деполяризованной и недеполяризованной областями мембраны. Они показаны линиями. Также локальные токи протекают между зонами 2 и зоной 1, но, поскольку зона 1 находится в стадии рефрактерности (Na+-каналы не могут быть открыты, так как находятся в состоянии инактивации, а K+-каналы, активность которых формирует фазу реполяризации потенциала действия, открыты), зона 1 возбудиться не может 52 Рис. 28. Дальнейшее проведение возбуждения по немиелинизированному нервному волокну. Пороговая деполяризация зон 3 нервного волокна открывает потенциалуправляемые ионные Na+-каналы, что ведет к возникновению входящего Na+-тока и генерации фазы деполяризации потенциалов действия (нижняя часть рисунка) на этих участках. Это вызывает локальные токи между выделенными зонами 3 и соседними зонами 4, с одной стороны, а также зонами 2 и 1, с другой. Поскольку зоны 2 находятся в стадии рефрактерности, они не могут быть возбуждены. Зона 1 достаточно удалена от места возбуждения, и вызванная деполяризация не достигает уровня активации потенциалуправляемых Na+-каналов 53 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ПО МИЕЛИНИЗИРОВАННЫМ НЕРВНЫМ ВОЛОКНАМ Рис. 29. Состояние миелинизированного нервного волокна в покое. Зоны 1, 2, 3 содержат один перехват Ранвье, имеющий потенциалуправляемые Na+- и K+каналы. Внешняя поверхность мембраны перехватов Ранвье заряжена положительно, а внутренняя – отрицательно. Остальные области мембраны покрыты миелином 54 Рис. 30. Состояние миелинизированного нервного волокна при действии на перехват Ранвье 1 порогового раздражителя (верхняя часть рисунка). Раздражение перехвата Ранвье 1 нервного волокна приводит к открытию потенциалуправляемых Na+-каналов, что ведет к возникновению входящего Na+-тока и генерации фазы деполяризации потенциала действия (нижняя часть рисунка). В результате между выделенным 1 и соседними перехватами Ранвье 2 и 3 возникает разность потенциалов, что вызывает локальный круговой ток, текущий между деполяризованной и недеполяризованной областями внутри аксона и замыкающийся через внеклеточную жидкость 55 Рис. 31. Механизм проведения возбуждения по миелинизированному нервному волокну. Раздражение перехватов Ранвье 2 нервного волокна приводит к открытию потенциалуправляемых Na+-каналов, что ведет к возникновению входящего Na+-тока и генерации фазы деполяризации потенциалов действия (нижняя часть рисунка) на этих участках. В результате между выделенными перехватами Ранвье 2 и соседними перехватами Ранвье 3 возникает разность потенциалов, что вызывает локальные токи, текущие между деполяризованной и недеполяризованной областями. Такой же локальный ток течет и между перехватами Ранвье 2 и перехватом Ранвье 1, но, поскольку последний находится в стадии рефрактерности (Na+-каналы в состоянии инактивации), перехват Ранвье 1 возбудиться не может 56 Рис. 32. Распространение возбуждения по миелинизированному нервному волокну: а – вход ионов Na+, деполяризация первого перехвата Ранвье и возникновение там потенциала действия; б – появление локального тока; в – деполяризация второго перехвата Ранвье, вход ионов Na+ и возникновение там потенциала действия 57 Рис. 33. Внеклеточный потенциал нерва (α, β, γ, δ – потенциалы разных типов нервных волокон) Классификация нервных волокон Имеется два типа нервных волокон: миелиновые и безмиелиновые (рис. 34). Рис. 34. Миелиновое волокно 58 Оболочку безмиелиновых волокон образуют шванновские клетки. Оболочку миелиновых волокон в периферической нервной системе формируют шванновские клетки, а в ЦНС олигодендроциты. Миелин состоит из липидов (80%), обладающих высоким сопротивлением, и белка (20%). Миелиновая оболочка через равные промежутки (0,5 — 2,0 мм) прерывается, образуя свободные от миелина участки — узловые перехваты Ранвье, протяженность которых в волокнах периферической нервной системы составляет 0,25-1,0 мкм, в волокнах ЦНС их длина достигает 14 мкм. Таблица 1. Типы волокон в нервах млекопитающих (по Эрлангеру—Гассеру) Типы волокон Диаметр волокна мкм Скорость проведения м/с Аα 12-20 70- 120 Аβ 5-12 30-70 Аγ 3-6 15-30 Аσ 2-5 12-30 В 1-3 5-12 С 0,3-1,3 0,5-2,3 Миелиновая оболочка нервных волокон выполняет изолирующую функцию, обеспечивает более экономное и быстрое проведение возбуждения. Классификация нервных волокон осуществляется согласно структурнофункциональным свойствам. В зависимости от толщины нервных волокон, наличия или отсутствия у них миелиновой оболочки все нервные волокна делят на три основных типа: А, В и С (табл. 1). Волокна типа А — это афферентные и эфферентные волокна 59 соматической нервной системы; волокна типа В — преганглионарные волокна вегетативной нервной системы; волокна типа С — это в основном постганглионарные волокна вегетативной нервной системы. Нервные волокна обеспечивают проведение возбуждения и транспорт веществ, выполняющих трофическую функцию. Механизм проведения возбуждения по нервному волокну Биопотенциалы могут быть локальными (местными), распространяющимися с декрементом (затуханием) на расстояние, не превышающее 1 — 2 мм, и импульсными (ПД), распространяющимися без декремента по всей длине волокна, т.е. на несколько десятков сантиметров, например от мотонейронов спинного мозга по всей длине нервного волокна до мышечных волокон конечностей с учетом самой конечности. Распространение локальных потенциалов. Локальные потенциалы изменяют мембранный потенциал покоя, как правило, в сторону деполяризации в результате входа в клетку Nа+ согласно электрохимическому градиенту. В результате этого между участком волокна, в котором возник локальный потенциал, и соседними участками мембраны формируется электрохимический градиент, вызывающий передвижение ионов. В частности, вошедшие в клетку ионы Nа+ начинают перемещаться в соседние участки, а ионы Nа+ на наружной поверхности клетки движутся в противоположном направлении. В итоге поляризация мембраны соседнего участка уменьшается. Фактически это означает, что локальный потенциал из первичного очага распространился на соседний участок мембраны. Он затухает на расстоянии 1—2 мм от очага первичной деполяризации, что связано с отсутствием электроуправляемых ионных каналов на данном участке мембраны или неактивацией ионных каналов, продольным 60 сопротивлением цитоплазмы волокна и шунтованием тока во внеклеточную среду через каналы утечки ионов. Возникшую изменением деполяризацию проницаемости мембраны, не сопровождающуюся потенциалзависимых натриевых, кальциевых и калиевых каналов, называют электротонической, ионы перемещаются вдоль клеточной мембраны внутри и вне клетки согласно электрохимическому градиенту. Электротоническое распространение возбуждения — физический механизм, характерный для тех фрагментов мембран возбудимых клеток, где нет потенциалзависимых ионных каналов. Такими участками являются, например, большая часть мембраны дендритов нервных клеток, межперехватные промежутки в миелиновых нервных волокнах. Если местный потенциал, распространяясь электротонически, достигает участков мембраны, способных генерировать ПД (аксонный холмик, перехваты Ранвье, часть мембраны дендритов и, возможно, сомы), но его амплитуда при этом не достигнет критического уровня деполяризации, то такой потенциал называют препотенциалом. В его возникновении и распространении частично участвуют потенциалзависимые ионные каналы, однако при этом нет регенеративной (самоусиливающейся) деполяризации, характерной для ПД. Поэтому распространение такого потенциала происходит с затуханием амплитуды. При достижении локальным потенциалом участков мембраны, способных генерировать ПД, и амплитуды, выходящей на критический уровень деполяризации, формируется ПД, который распространяется по всей длине нервного волокна, как правило, без затухания. Эффективность электротонического распространения биопотенциалов зависит от физических свойств нервного волокна: сопротивления и емкости его мембраны, сопротивления цитоплазмы. Электротоническое проведение в нервном волокне улучшается при увеличении его диаметра, что связано с уменьшением сопротивления цитоплазмы, а 61 также с миелинизацией волокна, увеличивающей сопротивление мембраны (до 105 Ом/см2) и уменьшаюшей ее емкость (до 0,005 мкФ/см2). Эффективность электротонического проведения характеризует постоянная длины мембраны (λm), т.е. расстояние, на которое может электротонически распространяться биопотенциал, пока его амплитуда не уменьшится до 37% исходной величины. Постоянная длины для локальных потенциав не превышает 1 мм, и их амплитуда затухает на расстоянии 1 — 2 мм от места возникновения. Для передачи возбуждения на большие расстояния необходимо формирование ПД. В его распространении кроме электротонического механизма существенная роль принадлежит механизму регенеративной деполяризации, позволяющей сохранить амплитуду ПД на пути его следования. Проведение потенциала действия осуществляется с использованием как физического (электротонического), так и физиологического механизма. Обязательным условием проведения нервного импульса является наличие на всем протяжении или в ограниченных, но повторяющихся участках волокна потенциалзависимых ионных каналов, ответственных за формирование ПД. В распространении ПД можно выделить два этапа: этап электротонического проведения, обусловленный физическими свойствами нервного волокна, и этап генерации ПД в новом участке на пути его движения, обусловленный реакцией ионных каналов. В зависимости от расположения и концентрации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообразный). Непрерывное распространение ПД осуществляется в безмиелиновых волокнах типа С, имеющих равномерное распределение потенциалзависимых ионных каналов, участвующих в генерации ПД. Проведение нервного импульса начинается с этапа электротонического 62 распространения возникшего ПД. Амплитуда ПД нервного волокна (мембранный потенциал + инверсия) равна около 90 мВ, постоянная длины мембраны λm в безмиелиновых волокнах равна 0,1 - 1,0 мм. Поэтому ПД, распространяясь на этом расстоянии как электротонический потенциал и сохранив, как минимум, 37% своей амплитуды, способен деполяризовать мембрану до критического уровня и генерировать на всем протяжении новые ПД. На этапе электротонического распространения нервного импульса ионы движутся вдоль мембраны волокна между деполяризованным и поляризованным участками, электрическое (электротонически) в поле соседнем открывает участке волокна. Nа-каналы Реально при неповрежденном нервном волокне этап чисто электротонического распространения ПД (вдоль мембраны) предельно мал, так как потенциалзависимые каналы имеются в непосредственной близости друг от друга и при достижении деполяризации, равной 50% Екр, включается перпендикудярное перемещение ионов в клетку (нервное волокно) и из клетки за счет активации ионных каналов электротонически. При формировании нового ПД в соседнем участке в фазе деполяризации возникает мощный ток ионов натрия в клетку вследствие активации натриевых каналов, (самоусиливающейся) приводящий деполяризации. к Этот регенеративной ток обеспечивает формирование нового ПД той же амплитуды. В связи с этим проведение ПД осуществляется без декремента, т. е. без снижения амплитуды. Таким образом, непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый участок мембраны выступает сначала как раздражаемый (при поступлении к нему электротонического потенциала), а затем как раздражающий (после формирования в нем нового ПД). 63 Сальтаторный тип проведения нервного импульса осуществляется в миелиновых волокнах (типы А и В), для которых характерна концентрация потенциалзависимых ионных каналов только в небольших участках мембраны (перехваты Ранвье), где их плотность достигает 12000 на 1 мкм2, что примерно в 100 раз выше, чем в мембранах безмиелиновых волокон. В области миелиновых муфт (межузловые сегменты длиной 1 — 2 мм), обладающих хорошими изолирующими свойствами, потенциал-зависимых каналов почти нет, и мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. В этих условиях ПД, возникший в одном перехвате Ранвье, электротонически (без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата, деполяризуя там мембрану до критического уровня, что приводит к возникновению нового ПД, т.е. возбуждение проводится скачкообразно. Постоянная длины мембраны миелинового волокна достигает 5 мм. Это значит, что ПД, распространяясь электротонически на этом расстоянии, сохраняет 37% своей амплитуды (около 30 мВ) и может деполяризовать мембрану до критического уровня (пороговый потенциал в перехвате Ранвье равен около 15 мВ), поэтому в случае повреждения ближайших на пути следования перехватов Ранвье потенциал действия может электротонически возбудить 2 - 4-й и даже 5-й перехваты (фактор надежности). Сальтаторное проведение ПД по миелиновым волокнам является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позвоночных. Оно имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным проведением возбуждения. Во-первых, оно более экономично в энергетическом плане, так как возбуждаются только перехваты Ранвье, площадь которых менее 1 % мембраны, и, следовательно, надо меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов Nа+ и К+, уменьшающихся в процессе формирования ПД. Во-вторых, возбуждение проводится с большей 64 скоростью (см. табл.1), чем в безмиелиновых волокнах, так как возникший ПД на протяжении миелиновых муфт распространяется электротонически, что в 107 раз быстрее, чем скорость физиологического проведения ПД. Законы проведения возбуждения по нервным волокнам ●Изолированные нервные волокна могут проводить возбуждение в двух направлениях. Если в эксперименте нанести раздражение в любом участке нерва, то ПД будет распространяться в обе стороны от участка, на который нанесено раздражение. ●Структурная и функциональная целостность волокна. ●Возбуждение проводится изолированно в каждом нервном волокне ствола. Это обусловлено тем, что петли тока в межклеточной жидкости ствола, имеющей низкое сопротивление, почти не проникают в невозбужденные нервные волокна из-за большого сопротивления их оболочек. Изолированное проведение импульсов по нервным волокнам обеспечивает точное афферентное и эфферентное влияния функционально разнородных волокон нерва. Рис. 35. Нарушение процесса передачи нервного импульса при возникновении рассеянного склероза 65 ФИЗИОЛОГИЯ СИНАПСОВ Рис. 36. Работа электрического синапса. Локальные круги тока, протекающего между деполяризованной и недеполяризованной областями, показаны стрелками Рис. 37. (а) Модель структуры щелевого контакта в области электрического синапса, включающая липидный бислой двух соседних клеток, содержащий коннексоны, каждый из которых построен из шести коннексинов; (б) модель открытого и закрытого каналов коннексонов 66 Рис. 38. Форма потенциала действия нервного волокна при различной концентрации ионов Na+ в наружной среде Рис. 39. Зависимость Na+-проницаемости от внеклеточной концентрации кальция. Снижение внеклеточной концентрации кальция приводит к увеличению возбудимости клетки Понятие синапса введено английским физиологом Ч. Шеррингтоном. Исследуя рефлексы спинного мозга, он выяснил, ю возбуждение идет только от задних корешков к передним поэтому предположил наличие между нейронами контактов, имеющих одностороннюю проводимость. Современные физиологические и цитологические работы подтвердили эту гипотезу. 67 Синапс настолько узок, что его строение можно изучать только в электронный микроскоп. Он состоит из пресинаптической части (отросток, или тело нейрона) и постсинаптической части (отросток, или тело). Цитоплазма в месте контакта уплотнена с обеих сторон или только в постсинаптической клетке. Сигнал передается от пресинаптической части к постсинаптической. Между ними находится синаптическая щель шириной 0,02—0,03 мкм. Диаметр синапса 1—2 мкм и менее. Рис. 40. Морфология химического синапса В пресинаптическом окончании находятся небольшие мембранные пузырьки — везикулы. Диаметр везикул может составлять 0,02—0,06 мкм и более; их форма сферическая или уплощенная. Везикулы наполнены физиологически активными веществами — медиаторами. Для каждого конкретного нейрона параметры образуемых им синапсов (размер щели, диаметр и форма везикул, количество молекул медиатора в везикуле) постоянны. 68 Рис. 41. Электронная микрофотография нервно-мышечного соединения Рис. 42. Ультраструктура нервно-мышечного синапса. Вверху слева: нервные окончания на мышечном волокне; на схеме рядом – пресинаптическое окончание вместе с лежащей под ним складчатой мышечной мембраной при большем увеличении. Внизу: еще большее увеличение: мембрана пресинаптического нейрона с частично разъединенными внутренним и внешним слоями, а под ней соответствующие слои субсинаптической мембраны мышцы. «Частицы» – это ацетилхолиновые рецепторы и молекулы холинэстеразы в мембране 69 Рис. 43. Механизм освобождения трансмиттера из пресинаптического окончания. Потенциал действия, пришедший по аксону в пресинаптическую область, деполяризует мембрану. Открываются 2+ потенциалуправляемые Ca -каналы. Повышенная 2+ концентрация интратерминального Ca открывает везикулы, лежащие на пресинаптической мембране клетки, что приводит к экзоцитозу их содержимого в синаптическую щель. Одновременно при помощи активации протеинкиназы II фиксированные на цитоскелете везикулы отделяются и собираются на пресинаптическую мембрану клетки Рис. 44. Биосинтез (А, Б) и инактивация (В) ацетилхолина (Г) 70 Рис. 45. Типы рецепторов к ацетилхолину (АХ) Рис. 44. Трехмерная модель никотиновых ацетилхолиновых рецепторов, плавающих в двойном липидном слое мембраны клетки. Протеин состоит из пяти субъединиц, из которых две идентичные имеют участки связывания с ацетилхолином. Если эти места заняты, открывается воронкообразный ионный канал 71 Рис.45. Взаимодействие трансмиттерных молекул с их постсинаптическими рецепторами. В правой части рисунка представлена постсинаптическая мембрана, имеющая никотиновый рецептор, ионный канал которого открывается сам при помощи лиганда, в левой части показана постсинаптическая мембрана, обладающая мускариновым рецептором. В этом случае ионный канал открывается только при помощи каскада химических реакций 72 Рис. 46. Заключительные стадии передачи сигнала в синапсах. Вторичные посредники открывают ионные каналы в синапсах (в случае мускаринового синапса это субъединица G-белка, связанная с ГТФ). Медиатор инактивируется в синаптической щели при помощи обратного захвата или ферментативного расщепления. В пресинаптическом окончании медиатор опять ресинтезируется и транспортируется в везикулу. Далее происходит связывание везикул с пресинаптической мембраной 73 Рис. 65. Амбивалентность медиаторов: влияние адреноблокаторов на гидродинамическое сопротивление сосудов 74 Рис. 64. Амбивалентность медиаторов: схема действия катехоламинов на адренорецепторы (А – адреналин, НА – норадреналин, И – изопротеренол) Рис. 65. Стадии синаптической передачи: пресинаптическая деполяризация 75 Рис. 66. Стадии синаптической передачи: входящий ток кальция Рис. 67. Стадии синаптической передачи: высвобождение медиатора Рис. 68. Стадии синаптической передачи: диффузия и связывание медиатора Рис. 69. Стадии синаптической передачи: инактивация медиатора 76 Рис. 70. Стадии синаптической передачи: генерация постсинаптических потенциалов Рис. 71. Инактивация и реактивация ацетилхолинэстеразы. Инактивация: а – диизопропилфторофосфатом (DFP); б – другими органическими соединениями фосфора; в – эзерином, карбамоилирующим реагентом. Реактивация: г – антидотом альдоксимного типа 77 Рис. 72. Схема электрического синапса: А – распределение токов: при возбуждении клетки 1 в нее входит натриевый ток (INa); она связана с клеткой 2 нексусом (щелевым контактом). Часть тока, входящего в клетку 1, проходит через нексус в клетку 2 и вызывает ее деполяризацию. Б – импульс тока, действующий на пресинаптическую клетку, вызывает генерирование электротонического потенциала, который запускает в ней потенциал действия. Потенциал, появляющийся в постсинаптической клетке после прохождения тока через нексус, представляет собой уменьшенное подобие пресинаптического потенциала Рис. 73. При подаче тока через микроэлектрод в клетку с электрическим синапсом ток из пресинаптической клетки 1 течет через коннексоны в соседнюю постсинаптическую клетку 2. Подобным же образом через коннексоны возбуждение от одной клетки (пресинаптической) передается к другой (постсинаптической) 78 Рис. 74. Схема щелевого контакта в области электрического синапса. Протеиновые комплексы (коннексоны) образуют каналы, которые связывают цитоплазму соседних клеток и при помощи которых возможен обмен низкомолекулярных веществ и заряженных ионов 79 Рис. 75. Взаимоотношения между возбуждающими и тормозными синапсами и участком генерации потенциала действия Рис. 76. Синаптические механизмы на NMDAрецепторах клеток гиппокампа. (а) Mg2+ неконкурентно блокирует ионный канал NMDA-рецептора так, что даже после связывания глутамата ионный ток не может течь. (б) Если перед этим возбуждающий АМРА-синапс на этой клетке слегка преддеполяризует (кратковременно) потенциал мембраны, то ион Mg2+ не может больше быть связанным с NMDA-каналом. Блок Mg2+ снимается, и ионы Na+ и Са2+ устремляются в клетку. Ионы Са2+ могут использоваться в качестве внутриклеточного вторичного посредника и регулировать дальнейшие процессы, например, обучения. Оксид азота (II) модулирует пресинаптическую область по принципу обратной связи 80 Рис. 77. Первичное торможение на примере регуляции работы мышц-антагонистов: когда одна сокращается, другая расслабляется. Двуглавая мышца плеча, сокращаясь и укорачиваясь, сгибает руку (трехглавая при этом расслабляется), а когда сокращается трехглавая (двуглавая расслаблена), рука распрямляется Рис. 76. Регистрация пресинаптического торможения (слева) и наблюдение пресинаптического торможения (справа) 81 Синапсы — это специализированные структурные соединения между клетками, обеспечивающие взаимные влияния между ними. Через синапсы передаются возбуждающие или тормозные влияния между двумя возбудимыми клетками, осуществляется трофическое влияние, синапсы играют важную роль в реализации механизмов памяти. Жизненный цикл медиаторов нервной системы включает следующие стадии: синтез, загрузку в везикулы и транспорт в пресинаптическое окончание; выделение в синаптическую щель; связывание с рецептором на постсинап- тической мембране; инактивацию. Образование медиатора часто происходит непосредственно в пресинаптическом окончании. Это возможно тогда, когда процесс синтеза является химически относительно простым (осуществляется в 12 стадии). Если это условие не выполняется, образование медиатора идет в теле нейрона. С синтезом каждого конкретного медиатора связаны специфические ферменты, осуществляющие соответствующие реакции. От их количества и активности в конечном счете зависит активность медиаторной системы. Другой важный фактор — наличие молекулпредшественниц. В этом случае дефицит медиаторов, образуемых из незаменимых веществ (тех, которые можно получить только с едой), может иметь пищевое происхождение. Синтезированные в теле нейрона молекулы медиатора переносятся сначала в эндоплазматическую сеть (ЭПС), а затем в комплекс Гольджи, который обеспечивает экзоцитоз медиаторов, предварительно упаковывая их в мембранные пузырьки-везикулы. Размер пузырьков и количество в них молекул медиатора стабильны в каждом конкретном нейроне. Образовавшиеся везикулы переносятся в пресинаптические окончания. Ключевую роль в этом процессе играют направляющие микротрубочки. 82 Пузырьки с медиатором движутся по этим «рельсам» с помощью механизмов, сходных с работой сократимых мышечных белков. Скорость такого транспорта довольно велика — до нескольких см/ч. В случае, когда медиатор синтезируется сразу в пресинаптическом окончании, комплекс Гольджи способен формировать пустые везикулы, которые аналогичным образом переносятся по аксону. Заполнение таких пузырьков медиатором пресинаптическом осуществляется окончании (за счет непосредственно работы в специальных молекулярных насосов. Везикулы— это не только удобная , форма транспорта веществ, но и способ упорядочить, сделать количественно стабильным выброс медиатора в синаптическую щель. Число скапливающихся в пресинаптическом окончании везикул измеряется десятками тысяч, что также стабилизирует процессы передачи сигналов; истощение запасов медиатора даже при интенсивном проведении информации происходит весьма редко (обычно на фоне действия специальных фармакологических агентов). Каждый нейрон производит только один основной медиатор (ацетилхолин, дофамин и т. п.). Однако нередко можно обнаружить присутствие в пресинаптическом окончании и других веществ, способных к передаче нервных сигналов. Это комедиаторы (например, пептиды); они обнаруживаются в очень небольших количествах и обычно находятся в везикулах, отличающихся по форме и размеру от пузырьков с основным медиатором. Выброс содержимого везикул запускается в момент прихода в пресинаптическое окончание потенциала действия и реализуется в несколько этапов. Первый из них заключается в открытии потенциалзависимых Са2+-каналов, которые расположены на «внешней» мембране пресинаптического окончания и открываются при его деполяризации в момент прихода ПД. В результате наблюдается вход в клетку 83 определенной порции ионов Са2+, и их содержание внутри окончания возрастает в 10—100 раз. Чем выше концентрация Са2+ во внешней среде, тем больше число вошедших ионов; через эти же каналы способны проникать ионы Mg2+, конкурируя с кальцием. Следовательно, появление в межклеточной среде магния уменьшает итоговое число вошедшего в окончание кальция. Основное назначение ионов*Са2+ в пресинаптическом окончании — это воздействие на сложный белковый комплекс, встроенный в мембрану везикул. Этот комплекс включает белки, ответственные за фиксацию пузырька в цитоплазме и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са2+ (для этого нужно четыре иона) везикула приходит в движение. Достигая пресинаптической мембраны, пузырек «слипается» с ней, в результате чего медиатор попадает в синаптическую щель. Весь этот процесс протекает очень быстро — в течение 1—5 мс, а примерно через 10 с можно наблюдать процесс восстановления везикул: они отделяются от мембраны и возвращаются в пресинаптическое окончание. В дальнейшем эти пустые пузырьки могут быть вновь заполнены медиатором. Функцию остановки выброса выполняют особые молекулярные насосы, удаляющие ионы Са2+ из цитоплазмы окончания. Такие насосы находятся на мембранах каналов ЭПС и митохондрий. Перенося кальций внутрь этих органоидов, они прекращают его действие на везикулы. Отравление Са2+-насосов ведет к гиперактивности синапса, продолжающейся до полного истощения запасов медиатора. Аналогичное действие оказывают токсины, блокирующие потенциалзависимые Са2+-каналы в открытом положении. Токсин ботулиновой бактерии (ботулотоксин) известен как соединение, вызывающее тяжелейшие пищевые отравления. Проникая в синапс, он блокирует белки, отвечающие за контакт везикулы с 84 пресинаптической мембраной, в результате чего прекращается всякая передача нервного сигнала, развиваются параличи. Попав в синаптическую щель, медиатор менее чем за 1 мс вступает во взаимодействие с пресинаптической мембраной, соединяясь с встроенными в нее специализированными белковыми рецепторами. Пространственная организация рецептора предусматривает существование у него активного центра — углубления в белковом клубке, имеющего определенную форму и распределение зарядов. Ему строго соответствует пространственная конфигурация медиатора и распределение зарядов на его молекуле. В результате активный центр рецептора и медиатор способны формировать комплекс. Непосредственным следствием этого является возбуждение рецептора, а затем — развитие постсинацтических потенциалов и запуск ПД. Выделяют два типа рецепторов — ионотропные и метаботропные. Возбуждение метаботропного рецептора выражается в изменении внутриклеточного метаболизма, т. е. течения биохимических реакций. С внутренней стороны мембраны к такому рецептору присоединён целый ряд других белков, выполняющих ферментативные и «посреднические» функции. Белки-посредники относятся к G-белкам. Под влиянием возбужденного рецептора G-белок воздействует на белок-фермент, обычно переводя его в «рабочее» состояние. В результате запускается химическая реакция: молекула-предшественник превращается в сигнальную молекулу — вторичный посредник. Вторичные посредники — это мелкие, способные к быстрому перемещению молекулы или ионы, передающие сигнал внутри клетки. Этим они отличаются от «первичных посредников» — медиаторов и гормонов, передающих информацию от клетки к клетке. Наиболее известным вторичным посредником является цАМФ (циклическая аденозинмонофосфорная кислота), образуемая из АТФ с помощью фермента аденилатциклазы. Похожа на него цГМФ 85 (гуанозинмонофосфорная кислота). Другими важнейшими вторичными посредниками являются инозитолтрифосфат и диацилглицерол, образуемые из компонентов клеточной мембраны под действием фермента фосфолипазы С. Чрезвычайно велика роль Са2+, входящего в клетку снаружи через ионные каналы или высвобождающегося из особых мест хранения внутри клетки («депо» кальция). В последнее время много внимания уделяется вторичному посреднику N0 (оксиду азота), который способен передавать сигнал не только внутри клетки, но и между клетками, легко преодолевая мембрану, в том числе от постсинаптического нейрона к пресинаптическому. Заключительный шаг в проведении химического сигнала — воздействие вторичного посредника на хемочувствительный ионный канал. Это воздействие протекает либо непосредственно, либо через дополнительные промежуточные звенья (ферменты). В любом случае происходит открытие ионного канала и развитие ВПСП либо ТПСП. Продолжительность и амплитуда их первой фазы будет определяться количеством вторичного посредника, которое зависит от количества выделившегося медиатора и длительности его взаимодействия с рецептором. Таким образом, механизм передачи нервного стимула, используемый метаботропными рецепторами, включает в себя несколько последовательных этапов. На каждом из них возможна регуляция (ослабление либо усиление) сигнала, что делает реакцию постсинаптической клетки более гибкой и адаптированной к текущим условиям. Вместе с тем это же приводит к замедлению процесса передачи информации. Вот почему в ходе эволюции возникла потребность в более быстром пути проведения сигналов, в результате чего появились ионотропные рецепторы. В случае ионотропного рецептора чувствительная молекула содержит не только активный центр для связывания медиатора, но также ионный 86 канал. Воздействие «первичного посредника» на рецептор приводит к быстрому открыванию канала и развитию постсинаптического потенциала. Инактивация — заключительный этап жизненного цикла медиатора. Смысл этой стадии состоит в прекращении его действия на рецептор (прерывание передачи сигнала). Процессы инактивации медиатора реализуются транспортных при участии белков. В специализированных более простом ферментов случае и инактивация осуществляется прямо в синаптической щели, когда фермент быстро разрушает все свободно «плавающие» молекулы медиатора. Кроме этого, медиатор может быть удален с активных центров поетсинаптических рецепторов еще двумя способами: путем обратного всасывания в пресинаптическое окончание, которое осуществляется особыми белками-насосами и путем всасывания в глиальные клетки, которое также происходит за счет деятельности белков-насосов. В случае переноса внутрь глиальных клеток медиатор разрушается специализированным ферментом. В случае возврата в пресинаптическое окончание («обратный захват») он также может быть разрушен, но может и повторно «загружаться» в пустые везикулы. Это позволяет наиболее экономно расходовать те медиаторы, синтез которых связан с определенными проблемами (недостаток предшественника, длинная цепочка реакций). Скорость процесса инактивации определяет общее время воздействия медиатора на рецептор, от которого в конечном итоге зависит амплитуда постсинаптических потенциалов, запуск ПД и продолжение проведения сигнала по нейронной сети. При повреждении элементов системы инактивации эффективности наблюдается синаптической передачи, значительное так как увеличение выделившийся медиатор существенно дольше воздействует на рецепторы и амплитуда ВПСП либо ТПСП заметно возрастает. 87 Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, имеют огромное значение для жизни человека. Именно они образуют группу психотропных препаратов — соединений, влияющих на различные аспекты деятельности мозга: общий уровень активности, память, эмоциональные переживания. При этом наиболее часто используются вещества, изменяющие взаимодействие рецептора и медиатора, а также влияющие на хемочувствительные ионные каналы. При введении молекул, сходных по структуре с медиатором, наблюдается их соединение с активными центрами соответствующих рецепторов и последующее возбуждение рецепторов. Медиатор присоединяется к рецептору, что приводит к воздействию на ионный канал; агонист присоединяется к рецептору, что также приводит к передаче сигнала на ионный канал; конкурентный антагонист не позволяет медиатору соединиться с рецептором; неконкурентный антагонист блокирует ионный канал, что также не позволяет проявиться эффектам медиатора. Рис. 77. Типы химических синапсов 88 Структурно-функциональная характеристика синапсов Классификация синапсов. Имеется несколько критериев, согласно которым классифицируют синапсы. 1.По виду соединяемых клеток выделяют следующие синапсы: межнейронные, локализующиеся в ЦНС и вегетативных ганглиях; нейроэффекторные соединяющие (нейромышечные эфферентные вегетативнойнервной нейрорецепторные нейросекреторные), нейроны системы (контакты и с во соматической эфферентными вторичных и клетками; рецепторах между рецепторной клеткой и дендритом афферентного нейрона). 2.По эффекту – возбуждающие и тормозящие. 3.По способу передачи сигналов – химические, в которых посредником (медиатором) передачи электрические – сигнала сигналы является передаются химическое вещество; электрическим способом; смешанные – электрохимические, изучены недостаточно. 4.В зависимости от местоположения в ЦНС имеются следующие синапсы: аксосоматические, аксодендритные, аксоаксонные, дендросоматические, дендродендритные. Химические синапсы по природе медиатора делят на холинергические (медиатор – ацетилхолин), адренергические (норадреналин), дофаминергические (дофамин) и т.д. Структурные элементы химического синапса – пре- и постсинаптические мембраны, синаптическая щель. В пресинаптическомокончании находятся синаптические пузырьки (везикулы) диаметром до 200нм, содержащие от 1 до 10 тыс. молекул медиатора. Медиатор образуется в теле нейрона или в пресинапсе. Синаптическая щель имеет различную ширину (20 -50 нм), содержит межклеточную жидкость и мукополисахаридное плотное вещество в 89 виде мостиков, соединяющих пре- и постсинаптические мембраны. Постсинаптическая мембрана утолщена, содержит белковые рецепторы, обладающие сродством к медиатору. Передача сигнала в химических синапсах Потенциал действия, поступивший в пресинаптическое окончание, вызывает деполяризацию потенциалзависимые его Са-каналы. мембраны, активирующую Ионы Са2+ входят в внутрь пресинапса и обеспечивают экзоцитоз медиатора. Выделение медиатора из пресинаптического окончания пропорционально количеству поступившего туда Са2+ в степени n=4. Молекулы медиатора, выделенные в синаптическую щель, диффундируют к постсинаптической мембране и взаимодействуют с ее рецепторами. Действие молекул медиатора ведет к открытию ионных каналов и перемещению ионов Nа+ и К+ . Nа+ входит в клетку в большем количестве, чем выходит К+ из клетки, преобладающий ток ионов Nа+ в клетку ведет к ее деполяризации. Эта деполяризация называется возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), который в нервно-мышечном синапсе называют потенциалом концевой пластинки (ПКП). Свойства химических синапсов 1.Одностороннее проведение возбуждения, т.е. от пресинаптического окончания в сторону постсинаптической мембраны. Это связано с тем, что медиатор выделяется из пресинаптического окончания, а взаимодействующие с ним рецепторы локализуются только на постсинаптической мембране. 2 . Замедленное распространение возбуждения в ЦНС по сравнеию с нервным волокном объясняется наличием на путях распространения возбуждения множества химических синапсов, в каждом из которых до 90 возникновения ВПСП имеется синаптическая задержка около 0,5 мс. Время проведения возбуждения через синапс затрачивается на выделение медиатора в синаптическую щель, распространение его до постсинаптической мембраны, возникновение ВПСП и, наконец, ПД, в случае одновременного поступления к нейрону многих импульсов. Суммарная задержка передачи возбуждения в нейроне достигает порядка 2 мс, в нервно-мышечном синапсе — 0,5 — 1,0 мс. Чем больше синапсов в нейрональной цепочке, тем меньше общая скорость распространения по ней возбуждения. По латентному времени рефлекса, точнее, по центральному времени рефлекса, можно ориентировочно рассчитать число нейронов той или иной рефлекторной дуги. 3. Низкая лабильность химических синапсов. В нервно-мышечном синапсе равна 100 передаваемым импульсам в секунду, что в 5 —6 раз ниже лабильности нервного волокна. Лабильность в синапсах ЦНС весьма вариабельна: может быть больше или меньше. Причина низкой лабильности синапса — синаптическая задержка. 4. Утомляемость химического синапса (синаптическая депрессия) — ослабление реакции центра на афферентные импульсы, выражающееся в снижении постсинаптических потенциалов во время Длительного раздражения или после него (утомление центра). Это объясняется расходованием медиатора, накоплением метаболитов, закислением среды при длительном проведении возбуждения по одним и тем же нейронным цепям. 5.Распространение возбуждения в химических синапсах легко блокируется фармакологическими препаратами, что находит широкое применение в клинической практике. В физиологических условиях ограничения распространения возбуждения по ЦНС связаны с включением нейрофизиологических механизмов торможения нейронов. Жизненный цикл медиатора включает следующие стадии: синтез, загрузку 91 ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ Рис.78. Строение мышечных волокон Рис.79. Организация цилиндрических волокон в скелетной мышце, прикрепленной к костям сухожилиями 92 Рис. 80. Структурная организация филаментов в волокне скелетной мышцы, создающая картину поперечных полос 93 Рис.81. Организация толстых и тонких филаментов в саркомере Рис. 82. Модель механизма сокращения 94 Рис. 83. Скольжение перекрывающихся толстых и тонких филаментов друг относительно друга приводит к укорочению миофибриллы без изменений длины филаментов; I-диск и Н-зона при этом уменьшаются 95 Рис. 84. Поперечные мостики толстых филаментов, связываясь с актином тонких филаментов, подвергаются конформационному изменению, благодаря которому тонкие филаменты подтягиваются к середине саркомера (на схеме изображены лишь два из примерно 200 поперечных мостиков каждого толстого филамента) Рис.85. (а) Центральную часть толстого филамента составляют тяжелые цепи молекул миозина, головки которых ориентированы в противоположном направлении в двух половинах толстого филамента. (б) Структура молекулы миозина. Две глобулярные головки каждой молекулы образуют боковые выступы – поперечные мостики толстого филамента 96 Рис. 86. Схема электромеханического сопряжения 97 Рис. 87. Химические и механические события во время четырех стадий рабочего цикла поперечных мостиков. Сокращение волокна, находящегося в состоянии покоя, начинается со связывания поперечных мостиков с актином тонких филаментов – стадия 1 (знак М+ соответствует высокоэнергетической конформации поперечного мостика) 98 Рис. 88. Высвобождение ионов Са2+ и их обратный перенос в саркоплазматический ретикулум в процессе сокращения и расслабления волокна скелетной мышцы 99 Рис. 89. (а) Молекула тропонина, связанная с молекулой тропомиозина. (б) Две спиральные цепи тропомиозина, обвивающие тонкий филамент, регулируют доступ поперечных мостиков к участкам их связывания с актином Рис. 90. (а) Двигательная единица, состоящая из одного мотонейрона и иннервируемых им мышечных волокон. (б) Две двигательные единицы, волокна которых располагаются в мышце вперемешку 100 Рис. 91. Нервно-мышечное соединение. Окончания двигательного аксона погружены в желобки на поверхности мышечного волокна Рис.92. События в нервно-мышечном соединении, приводящие к генерированию потенциала действия в плазматической мембране мышечного волокна 101 Рис. 114. (а) Одиночное изометрическое волокна скелетной мышцы после одного действия. (б) Одиночное изотоническое волокна скелетной мышцы после одного действия сокращение потенциала сокращение потенциала 102 Рис. 93. Одиночные изотонические сокращения при разных нагрузках. Величина, скорость и продолжительность укорочения уменьшаются с увеличением нагрузки, тогда как интервал времени от стимула до начала укорочения возрастает Рис. 94. Скорость укорочения и удлинения волокна скелетной мышцы в зависимости от нагрузки. Сила, действующая на поперечные мостики во время удлиняющего сокращения, больше, чем максимальное изометрическое напряжение 103 Рис. 95. Суммация сокращений в результате уменьшения промежутков времени между стимулами S2 и S3 Рис. 96. Изометрические сокращения, вызванные серией стимулов с частотой 10 (зубчатый тетанус) и 100 (гладкий тетанус) в секунду; для сравнения показано одиночное сокращение 104 Рис. 97. Три источника для образования АТФ во время мышечного сокращения: 1) креатинфосфат, 2) окислительное фосфорилирование, 3) гликолиз Рис. 98. В гладкой мышце толстые и тонкие филаменты ориентированы под углом к осям волокна и прикреплены к плазматической мембране или к плотным тельцам в цитоплазме. При активации мышечных клеток толстые и тонкие филаменты скользят друг относительно друга так, что клетки укорачиваются и утолщаются 105 Рис. 99. Последовательность процессов от повышения цитоплазматической концентрации Са2+ и рабочего цикла поперечных мостиков. Сопоставление событий в гладкой и скелетной мышцах Рис. 100. Генерирование потенциалов действия в гладком мышечном волокне в результате спонтанных деполяризаций мембраны (пейсмейкерных потенциалов) 106 Рис. 101 Иннервация гладкой мышцы постганглионарными вегетативными нейронами. Нейромедиатор высвобождается из варикозных утолщений вдоль ветвей аксонов и диффундирует к рецепторам плазматической мембраны гладких мышечных клеток 107 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Помимо потенциала покоя транспорт ионов через ионные каналы мембраны определяет возникновения еще трех потенциалов: пассивного электротонического потенциала, локального ответа и потенциала действия. Для возникновения этих потенциалов требуется поляризация мембраны клетки, причем пассивный электротонический потенциал возникает при подпороговом смещении потенциала покоя, локальный ответ – при подпороговом, но близком к порогу смещении потенциала покоя, а потенциал действия возникает, когда смещение потенциала покоя доведено до пороговой величины. потенциалуправляемых каналов Среди огромного основную роль играют разнообразия натриевые, кальциевые и калиевые каналы. У каждого типа этих каналов существует множество подтипов, принципиально отличающихся друг от друга. Нервы состоят как из немиелинизированных, так и из миелинизированных волокон. Мембрана немиелинизированного нервного волокна напрямую контактирует с внешней средой. Обмен ионами между внутри- и внеклеточной средами может происходить в любой его точке. У миелинизированных нервных волокон большая часть мембраны аксона покрыта липидной оболочкой как изолятором, и лишь сравнительно небольшие участки мембраны, названные перехватами Ранвье, свободны от миелина. Эти волокна контактируют с внешней средой только в области перехватов. Места контактов между нервными клетками (синапсы) играют большую роль при переносе информации. Информация в виде серии потенциалов действия поступает от первого (пресинаптического) нейрона на второй (постсинаптический). Это возможно непосредственно путем формирования локального тока между соседними клетками либо опосредованно путем химических веществ – переносчиков. 108 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Брин В. Б. Физиология человека в схемах и таблицах/ В. Б. Брин. 2-е изд., Ростов-на-Дону: Феникс, 1999. 2. Завьялов А. В. Нормальная физиология: учебник/ под ред. А. В. Завьялова, В. М. Смирнова. М.: МЕДпресс-информ, 2009. 3. Камкин А. Г., Каменский А. А. Фундаментальная и клиническая физиология/ под ред. А. Г. Камкина, А. А. Каменского. М.: Академия, 2004. 4. Косицкий Г. И. Физиология человека: учебник/ под ред. Г. И. Косицкого. М.: Медицина, 1985. 5. Покровский В. М. Физиология человека: учебник в 2-х т./ под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. М.: Медицина, 1997. 6. Смирнов В. М. Физиология человека: учебник/ под ред. В. М. Смирнова. М.: Медицина, 2002. 7. Ткаченко Б. И. Нормальная физиология человека: учебник/ Б. И. Ткаченко. 2-е изд., М.: Медицина, 2005. 8. Ткаченко Б. И. Основы физиологии человека: учебник в 2-х т./ под ред. Б. И. Ткаченко. СПб., 1994. 9. Шеперд Г. Нейробиология: в 2-х т./ Г. Шеперд; пер. с англ. М.: Мир, 1987. 10. Шмидт Р. Физиология человека: в 3-х т./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса; пер. с англ. М.: Мир, 2005. 109
