Ответы на экзаменационные вопросы. Возбудимость
 Скачать 0.75 Mb.
|
|
1. Возбудимость - свойство клеточных мембран отвечать на действие какого-либо фактора изменением ее ионной проницаемости и величины мембранного потенциала. Факторы внешней и внутренней среды, действующие на ткань, называются радражителями, а сам процесс их воздействия - раздражением. Классификация раздражителей механические - ушибы, переломы, порезы и др., химические - кислоты, щелочи, спирты и др., физические - электрический ток, световые лучи, звук, температура и др., биологические - токсические вещества, выделяемые микроорганизмами, простейшими и др. По физиологическому признаку раздражители могут быть адекватными и неадекватными. Адекватные - воздействуют на возбудимые системы в естественных условиях существования организма, к которым данная ткань приспособилась в процессе эволюции и может отвечать на самое минимальное их воздействие. Например, адекватным раздражителем для фоторецепторов сетчатки глаза является свет, для уха - звук и т.д. Неадекватные раздражители в естественных условиях существования организма не воздействуют на возбудимые структуры. К ним данная ткань не приспосабливается в процессе развития. Однако, при достаточной силе и продолжительности их действия они могут вызывать ответную реакцию со стороны возбудимых тканей (механическое воздействие на глаз). По своей силе раздражители могут быть: 1) подпороговые, 2) пороговые, 3) надпороговые. Подпороговые раздражители - такие, которые при действии на ткань не вызывают видимых изменений (эффектов), но сопровождаются определенными физико-химическими сдвигами. Однако, степень их изменений недостаточна для возникновения распространяющегося возбуждения. Пороговые раздражители - это такие раздражители, при действии которых на ткань наблюдается минимальная видимая ответная реакция. Надпороговые раздражители - такие раздражители, которые при воздействии на ткань вызывают эффект больше минимального. Хронаксия - это минимальное время, в течение которого раздражитель силой в два порога вызывает минимальный эффект. Преимущество хронаксии по сравнению с полезным временем заключается в том, что используется раздражитель максимальной силы, который остается постоянным (его не надо менять, как это делается при использовании полезного времени). В этом случае меняется только время действия раздражителя. Прежде всего, к показателям возбудимости относятся сила и частота раздражителя (первый закон раздражения). Исследования свидетельствуют, что возбудимость, сила и частота раздражителя находятся в обратной зависимости, т. е. чем возбудимее ткань, тем меньший по силе и частоте раздражитель нужно применить, и, чем меньше возбудимость, тем больший по силе и частоте требуется раздражитель. Возбудимость принято оценивать по порогу силы и частоте раздражителя, которая также находится в обратных соотношениях с возбудимостью. Вторым показателем возбудимости является продолжительность или длительность действия раздражителя (второй закон раздражимости). До начала ХХ века время действия раздражителя не использовалось как показатель возбудимости, т. к. величина ответной реакции не зависела от времени его воздействия на ткань. В начале ХХ века появились приборы, которые позволили действовать раздражителем короткими интервалами по времени (менее одной миллисекунды), что позволило исследователям выявить следующую закономерность между силой раздражителя и продолжительностью его действия. Выявилась обратная зависимость: чем сильнее применялся раздражитель, тем требовалось меньше затратить времени, чтобы получить минимальный эффект, и наоборот, чем слабее раздражитель, тем продолжительность его воздействия должна быть длительнее. 2. Мембрана представляет собой плоскую структуру толщиной 7-10 нм. Мембраны могут быть однослойные, двухслойные и трехслойные. Если мембрана трехслойная, то наружная ее часть состоит из углеводов, внутренняя – из белков, а среднюю (основа для любой мембраны) образует двойной слой липидов. Если мембрана однослойная, то она состоит только из бислоя липидов. Липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами фосфолипидов, гликолипидов и холестерина, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. Мембраны пронизаны мельчайшими каналами, которые образуют ее транспортную систему, (диаметр каналов колеблется в пределах 0,3-0,9 нм). Во время возбуждения диаметр каналов может увеличиваться на 0,1 нм. Плотность каналов на мембранах различных клеток колеблется от 12 до 500 на 1 мкм2. А в перехватах Ранвье их обычно больше – до 1200 на 1 мкм2. В зависимости от того, какие ионы пропускает канал, различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные и сбросовые каналы. По скорости пропускания ионов каналы могут быть быстрыми и медленными, т. е. обладающие разной скоростью пропускания ионов (или проницаемостью для ионов). Избирательность к виду пропускаемых ионов у некоторых каналов различна: она выражена у К+-каналов. Есть каналы, не обладающие избирательностью и способные пропускать разные ионы. Различают 2 вида потенциалов: потенциал покоя, когда ткань не возбуждена, и потенциал действия, который имеет место при возбуждении ткани. Разновидностью потенциала покоя является мембранный потенциал, который регистрируется на мембране клетки или нервного и мышечного волокна. Для регистрации мембранного потенциала и его изучения чаще всего используют аксон гигантской нервной клетки кальмара, который имеет довольно большой диаметр (около 1 мм) и в который нетрудно ввести микроэлектрод, представляющий собой стеклянную микропипетку с кончиком около 0,5 мкм, заполненную электролитом. Для регистрации мембранного потенциала на наружную поверхность мембраны накладывают обычный электрод, а микроэлектрод погружают в цитоплазму (рис. 2.6.). Электроды подсоединяются к прибору микровольтметру, регистрирующему величину мембранного потенциала. При погружении микроэлектрода в цитоплазму стрелка прибора отклоняется в сторону погруженного микроэлектрода и прибор показывает величину разности потенциалов. Полученная разность потенциалов называется мембранным потенциалом, который составляет 50-90 мВ. К+- Nа+ насос электрогенен: насосы изменяют величину мембранного потенциала или поддерживают его величину на постоянном уровне. Имеются вещества, блокирующие систему активного транспорта, введение которых прекращает работу насосов. В результате чего исчезает ионная асимметрия, а вместе с ней и мембранный потенциал. 3. Второй разновидностью электрических процессов является потенциал действия, который возникает тогда, когда на мембрану клетки действует раздражитель пороговой силы. При действии же на мембрану раздражителя подпороговой силы наблюдается местный (локальный) потенциал, который проявляется уменьшением мембранного потенциала или деполяризацией. Последняя является результатом увеличения натриевого тока в цитоплазму. Локальный ответ подчиняется ряду закономерностей: - локальный ответ распространяется декрементно, т. е. по мере удаления от места раздражения его величина постепенно уменьшается до нуля, - он подчиняется закону градуальности: чем больше величина подпорогового раздражителя, тем выраженнее локальный ответ (деполяризация), - локальный ответ не имеет периода рефрактерности (невозбудимости); - локальный ответ способен суммироваться. Если на мембрану действует раздражитель пороговой силы, то как было сказано раньше, возникает потенциал действия, при этом на мембране наблюдается изменение величины мембранного потенциала, которое носит фазовый характер. Первая фаза - фаза деполяризации. Связана с уменьшением величины мембранного потенциала и обусловлена увеличением натриевого тока в цитоплазму. Фактически это локальный ответ. Вторая фаза - фаза инверсии или перезарядки мембраны. Как только под влиянием порогового раздражителя деполяризация мембраны достигает критического уровня (т. е. некоего уровня уменьшения мембранный потенциал, как правило, это уменьшение составляет 30-40% от мембранного потенциала в покое), это снижение потенциала улавливается сенсором напряжения канала, который, в свою очередь, запускает активационную систему, в результате чего открываются все натриевые каналы и возникает лавинообразный натриевый ток внутрь клетки (неуправляемый регенераторный процесс). За фазой перезарядки мембраны (инверсия) следует третья фаза - фаза реполяризации - восстановления мембранного потенциала, которая в первое время идет преимущественно за счет открытия калиевых каналов и увеличения калиевого тока из цитоплазмы на поверхность мембраны. 4. Фаза абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости). Если в течение этой фазы нанести дополнительные раздражения, какой бы силы они не были, ткань не отвечает на их действие. Продолжительность этой фазы, например, в нервном волокне составляет 0,5-2 мс. Фаза абсолютной рефрактерности соответствует восходящей части основного зубца потенциала действия и немного захватывает начальный участок нисходящей его части. Согласно мембранно-ионной теории, абсолютная рефрактерность объясняется возникновением лавинообразного - “взрывоподобного” - натриевого тока (т. е. неуправляемого процесса) с последующим развитием натриевой инактивации, при которых натриевый ток не увеличивается. Фаза относительной рефрактерности. В этот момент начинает восстанавливаться возбудимость и если наносить дополнительные раздражения надпороговой силы, то ткань на это воздействие ответит возбуждением. В это время возбудимость ткани не приходит в исходное состояния, т. к. наблюдается только частичное открытие натриевых каналов. Фаза относительной рефрактерности соответствует нисходящей части основного зубца потенциала действия и продолжается 2-4 мс. Фаза повышенной возбудимости. Если в этой фаза наносить даже подпороговые раздражения, то ткань ответит дополнительным возбуждением. Фаза повышенной возбудимости (экзальтации) продолжается 4-8 мс и связана с сохранением на мембране деполяризации. Эта фаза возбудимости соответствует участку следовой электроотрицательности потенциала действия. Фаза пониженной возбудимости (субнормальная фаза). В этот период времени ткань отвечает только на раздражители надпороговой силы. Эта фаза возбудимости соответствует на участку следовой электроположительности мембранного потенциала. Продолжается 20-30 мс, обусловлена возрастанием мембранного потенциала (гиперполяризация), связанного с увеличением калиевого тока. 6. К физиологическим свойствам мышц относятся - возбудимость, проводимость и сократимость. Итак, возбудимость – это свойство клеточных мембран отвечать на действие раздражителя изменением ионной проницаемости мембраны и величины мембранного потенциала. В мышечном волокне, как и в любой возбудимой ткани, регистрируются электрические явления. Величина мембранного потенциала составляет 50-90 мВ. В мышечной мембране по сравнению с нервной имеются дополнительные кальциевые и хлорные каналы, поэтому имеют место и соответствующие токи, оказывающие определенное влияние на величину мембранного потенциала. При действии на мышечное волокно раздражителем подпороговой силы развивается локальный ответ с характерными для него свойствами, о которых говорилось раньше. При действии раздражителя пороговой силы в мышечном волокне развивается потенциал действия. Однако, вследствие того, что возбудимость мышечной ткани несколько меньше, чем нервной. продолжительность всех элементов потенциала действия несколько больше. Так продолжительность основного зубца потенциала действия доходит до 5 мс, вместо 0,5-2 мс в нервном волокне, следовая электроотрицательность продолжается 20-30 мс, а следовая электроположительность - 50-150 мс. Амплитуда основного зубца потенциала действия составляет 110-130 мВ. Как видно, эти элементы потенциала действия также более длительны, чем в нервном волокне. Электрогенез потенциалов в мышечном волокне такой же, как и в нервном, поэтому на его природе я не останавливаю вашего внимания. В мышечном волокне при возбуждении меняется возбудимость, что носит фазный характер (рис. 2.10.). Абсолютный рефрактерный период продолжается 4-5 мс, относительный - до 10 мс, фаза повышенной возбудимости равна 20-30 мс, пониженной - 100-150 мс. О причинах изменения возбудимости при возбуждении говорилось раньше, когда речь шла о физиологии нервного волокна. При возбуждении мышечного волокна наблюдаются не только электрические, но и другие процессы, свойственные возбуждению, а именно, имеет место изменение температуры. В мышечной ткани наблюдаются две фазы тепловых изменений: 1. Начальное теплообразование, которое составляет 30% всего образующегося тепла, которое не сопровождается потреблением кислорода (бескислородная фаза). 2. Запаздывающее теплообразование (восстановительное), сопровождающееся потреблением кислорода (кислородная фаза), при этом образуется около 70 % тепла. Кроме того, начальное теплообразование характеризуется несколькими периодами: а) период активации (в этом периоде образуется тепло, связанное с переходом ткани от невозбужденного состояния к возбужденному), б) период теплообразования, связанный с сокращением мышцы, в) период теплообразования в период расслабления мышцы. Кроме того, при возбуждении в мышцах имеют место метаболические изменения: а) распад и ресинтез макроэргических соединений (АТФ, АДФ, креатинфосфат), б) усиление гликолиза с накоплением лактата, в) синтез и выделение БАВ (медиаторы, моноамины и др.), г) усиливается потребление кислорода и выделение углекислого газа, д) усиливается распад жиров и углеводов как источников энергии. Проводимость. Под проводимостью следует понимать способность ткани проводить возбуждение в виде потенциала действия. В основе проведения возбуждения по мышечной ткани лежат циркулярные или круговые токи, которые формируются в результате перезарядки мембраны. Скорость проведения возбуждения по скелетным мышцам составляет 3-5 м/с. Однако, проведение возбуждения по мышечному волокну отличается от проведения возбуждения по нервной ткани тем, что потенциал действия в этом случае должен достигнуть мышечных сократительных элементов - актиновых и миозиновых нитей, которые находятся в глубине клетки. Проведение возбуждения к сократительным элементам мышечного волокна обеспечивается мембранно-миофибриллярной связью, которая включает в себя следующие элементы: а) мембрана, покрывающая мышечное волокно, б) система поперечных трубочек, пронизывающих мембрану, в) саркоплазматический ретикулюм. Остановимся подробно на структуре этих образований. В области Z мембраны сарколемму в радиальном направлении пронизывает система поперечных трубочек (рис. 2.11.). Диаметр этих трубочек около 10 нм. Они и образуют, так называемый, “внутренний синапс”. Следующим образованием, участвующим в проведении возбуждения к сократительным элементам, является саркоплазматический ретикулюм. Он состоит из трех частей: центральной - узкой части - и двух концевых утолщений - терминалей. Два саркоплазматических ретикулюма и одна поперечная трубочка образуют Т-проводящую систему. Саркоплазматический ретикулюм является депо для Са2+, участвующих в сокращении. В состоянии покоя ионы Са находятся в инактивированном состоянии - они связаны белковыми структурами. В саркоплазматическом ретикулюме открыта мощная система активного транспорта для ионов Са, которая создает большой концентрационный градиент для этих ионов в ретикулюме (концентрация ионов Са в саркоплазматическом ретикулюм в 2500-3000 раз больше, чем снаружи). Основная роль в работе кальциевых насосов отводится ферменту Мg-зависимой-АТФазе. Это фермент является интегральной частью мембраны саркоплазматического ретикулюма, составляя 95% общего содержания белка. Располагаясь перпендикулярно мембране, Са-зависимая-АТФаза не является электрогенной, т. к. обеспечивает обмен ионов Мg на Са, используя для этого энергию АТФ. Кроме того, имеются еще три компонента Са-регулирующей системы саркоплазматического ретикулюма. Один из них ионофор - протеолипид, экстрагируемый из ретикулюма, ускоряющий действие Мg-Са-зависимой-АТФазы и выступает в роли переносчика ионов. Второй компонент: гликопротеид, называемый кальсеквестрином. Он находится внутри просвета каналов саркоплазматического ретикулюма, причем одна молекула этого белка содержит более 40 участков, которые связывают ионы Са. По всей вероятности, этот белок выступает в роли “хранителя депо” для ионов Са. Третий компонент: еще один специфический белок, обладающий высоким сродством к ионам Са. Таким образом, способность саркоплазматического ретикулюма удалять ионы Са из саркоплазмы достаточна для того, чтобы сокращение закончилось в пределах действительно наблюдаемых временных интервалов. Кальциевый насос практически работает постоянно. С одной стороны, при возбуждении выделяются ионы Са, с другой - они обратно закачиваются в саркоплазматический ретикулюм. Если бы не было постоянно работающего кальциевого насоса, то одно возбуждение занимало бы по времени период времени достаточный для поступления 2-3 импульсов. Рассмотрим, как передается возбуждение по проводящей системе мышцы к ее сократительным элементам. Потенциалы действия, которые сформировались в области мионеврального синапса, распространяются по мембране мышечного волокна и достигают системы поперечных трубочек. Заходя в поперечные трубочки вместе с электротоническими проявлениями (катэлектротон), потенциалы действия вызывают деполяризацию мембраны саркоплазматического ретикулюма. Вследствие этого из последнего к сократительным элементам начинают поступать ионы Са, причем количество этих ионов зависит от степени деполяризации мембраны, которая, в свою очередь, определяется количеством потенциалов действия или величиной электрического поля. Такми образом, чем чаще поступают импульсы, тем больше деполяризация и тем больше из сакроплазматического ретикулюма к сократительным элементам поступает ионов Са. И наоборот, чем меньше поступает импульсов, тем деполяризация саркоплазматического ретикулюма выражена в меньшей степени и тем меньше ионов Са поступает к миозиновым и актиновым нитям. Таким образом, мембранно-миофибриллярная связь обеспечивает проведение возбуждения к сократительным элементам. Если специфическими веществами нарушить эту связь, то никакого сократительного акта при раздражении мышц не наблюдается. Следующим физиологическим свойством мышечной ткани является сократимость. Сократимость можно определить как способность мышцы укорачиваться, уменьшая свою длину или напрягаться без ее изменения. В 50-х годах группа исследователей (Хаксли, Нидергерки, Хенсон) на основании рентгеновских и электронно-микроскопических данных выдвинули теорию сокращения, в основе которой лежит скольжение сократительных нитей - актиновых и миозиновых нитей (теория скольжения). При исследовании удалось выявить: 1) Длина как толстых, так и тонких нитей в ходе мышечного сокращения не меняется. 2) В то же самое время длина дисков А, соответствующих миозиновым нитям, не меняется, а размеры дисков I, соответствующие актиновым нитям, уменьшаются. Следовательно, актиновые нити во время сокращения скользят между нитями миозиновыми, а не относительно друг друга. 3) Сила сокращения генерируется в результате активного движения нитей одного типа вдоль прилегающих нитей другого типа. Причем каждая актиновая нить скользит в пространстве между тремя миозиновыми. Степень и скорость скольжения находятся в прямой зависимости от количества ионов Са, который выбрасывается в миофибриллярное пространство из саркоплазматического ретикулюма (чем больше количество ионов Са, тем сильнее затягиваются актиновые нити между миозиновыми). Если в миофибриллярное пространство поступает очень много ионов Са, то активные нити, упираясь в места прикрепления миозиновых нитей, начинают скручиваться. Таким образом, сила сокращения мышцы зависит от того, насколько актиновые нити вдвигаются между миозиновыми, т. е. сила сокращения мышцы определяется величиной сопряжения. Относительно механизмов, лежащих в основе скольжения нитей, предложены две теории. Однако, чтобы ими воспользоваться, надо подробнее остановиться на строении сократительных элементов (рис. 2.12.). Доказано, что на актиновых нитях имеются активные центры, представленные отрицательно заряженными молекулами АДФ. В покое эти центры прикрыты заслонкой, состоящей из белкового комплекса “тропонин + тропомиозин”. Особая роль при возбуждении отводится тропонину С, имеющему большое химическое сродство к ионам Са. Активные центры имеются и на миозиновых нитях (поперечные мостики), которые являются головками миозиновых нитей, выступающими на их поверхности. Поперечный мостик представлен, как бы белковой спиралью, которая в покое находится в слегка растянутом состоянии вследствие того, что на верхушке поперечного мостика находится отрицательно заряженная молекула АТФ, а у его основания отрицательно заряженная молекула АТФазы. Между этими молекулами срабатывают силы электростатического отталкивания. В силу этого, белковая спираль растягивается, а поперечный мостик выстоит над поверхностью миозинового волокна. Различают два режима мышечных сокращений - изотонический и изометрический. Изотоническое сокращение - это такой вид сокращения, при котором тонус мышц не меняется, однако длина мышечных волокон уменьшается. Такая форма сокращения наблюдается при свободном сгибании конечности. Изометрическое сокращение - это такая форма сокращения, когда мышечный тонус увеличивается, а длина мышцы не изменяется (имеет место напряжение мышцы). Такая форма мышечного сокращения наблюдается, когда человек пытается поднять непосильный груз. Чисто изотонических и изометрических режимов практически нет, наблюдаются, как правило, смешанные формы сокращения. Когда мышца получает одиночное раздражение (одиночный электрический стимул), то наблюдается одиночное и однократное сокращение мышцы. Такой вид сокращения вляется нефизиологическим для скелетной мышцы, т. к. она всегда получает по нервным волокнам серию импульсов. Только сердечная мышца сокращается по принципу одиночных сокращений. Экспериментальная запись одиночного сокращения скелетной мышцы состоит из трех фаз:
Мышечного сокращения является длительное укорочение мышцы или ее напряжение - тетаническое и тоническое, которые может быть изометрическим и изотоническим. Различают два вида тетанических сокращений или тетануса: зубчатый и гладкий (сплошной). Зубчатый тетанус наблюдается тогда, когда последующий импульс приходит в фазу расслабления мышцы (состояние мышцы чисто лабораторное). Гладкий тетанус имеет место тогда, когда очередной импульс попадает в конце фазы укорочения. Мышечное волокно состоит из А и I дисков, причем А-диски обладают двойным лучепреломлением - они анизотропны, диски J не обладают таким свойством - они изотропны. Кроме дисков в миофибриллах имеются и полоски: мембраны Z и М, причем мембрана Z проходит по середине диска I, а М-мембрана - посередине диска А. Участок миофибриллы между двумя мембранами называется саркомером. Белковые нити расположены строго упорядоченным образом. Причем, толстые филаменты диаметром 12-14 нм и длиной 1,5 мкм уложены в форме шестиугольника, диаметром 40-50 нм, и проходят, как было сказано раньше, через весь диск А. Между толстыми филаментами находятся тонкие филаменты, диаметром до 8 нм, соответствующие I-дискам. Миофибриллярные белки составляют 50-60 общего количества белков мышечных волокон. Главный мышечный белок - миозин - составляет основу толстых нитей, другой - актин - является главной составной частью тонких нитей. |