Физиология возбудимых систем. Физиология возбудимых систем. Возбудимые кл и тк
 Скачать 278.54 Kb.
|
|
Физиология возбудимых систем.
Все живые клетки и ткани способны реагировать на различного рода воздействия, т. е. изменять под их влиянием свою текущую функцио- нальную активность. Любые изменения внешней или внутренней среды достаточные, чтобы вызвать ответ со стороны клетки, получили название раздражи- тели. Раздражители различаются по своей природе, это могут быть: • физические факторы (свет, звук, температура и др.); • химические (органические и неорганические вещества); • физико-химические (осмотическое давление, рН); • биологические (потенциал действия). Способность клеток или тканей отвечать на действие раздражителей называется реактивностью. По характеру ответа на действие раздражи- телей все ткани делятся на специфические и неспецифические. Специ- фические ткани на действие раздражителя реагируют процессом возбу- ждения. Процесс возбуждения — это быстрое изменение заряда мем- браны клетки в ответ на действие раздражителя. К возбудимым тканям относятся нервная, мышечная, железистая. Клеточная мембрана (плазмолемма) представлена двойным слоем фосфолипидов, в котором расположены молекулы белков. Фосфолипиды и белки могут быть связаны с углеводами, образуя гликопротеины и гли- колипиды. Белки мембраны выполняют функцию каналов, переносчиков, ферментов, регуляторов, рецепторов; углеводы — рецепторов. Одной из функций мембраны является транспорт веществ. Жирора- створимые вещества транспортируются, растворяясь в фосфолипидах мембраны. Водорастворимые вещества перемещаются с помощью бел- ков. Если транспорт веществ осуществляется с затратой энергии АТФ, то он называется активным, а если без затраты АТФ — то пассивным. Каналы мембраны обладают способностью пропускать исключи- тельно ионы и (или) воду. Ионные каналы представлены интегральны- ми белками (гликопротеинами), пронизывающими липидный бислой мембраны. Условно каналы делят на неспецифиче- ские (неселективные) и специфические (селективные). Существуют не- специфические каналы для ионов калия, натрия и кальция. Специфиче- ские каналы пропускают один вид ионов. Функционально целесообразной является классификация каналов на неуправляемые (нерегулируемые) и управляемые (регулируемые). Пред- ставителями первого вида являются калиевые каналы утечки. В покое, при исходном значении мембранного потенциала покоя, они открыты. Выделяют два вида каналов в зависимости от природы управ- ляющего фактора. . К первому виду относятся каналы, имеющие собственный сенсор внешнего сигнала. Он входит в состав макромолекулы канала. В зави- симости от способа управления эти каналы делятся на: а) потенциал-управляемые (электровозбудимые) — их проводи- мость зависит от электрического заряда на мембране (Nа-, К-, Са-, Сl-ные). Для открытия этих каналов необходимы значительные сдвиги потенциала мембраны (быстрые электровозбудимые Nа- и К-каналы, медленные электровозбудимые Са-Nа-каналы). Данный вид каналов участвует в формировании потенциала действия; б) лиганд-управляемые (хемовозбудимые) — открываются и закры- ваются при воздействии специфических химических веществ (медиато- ров). Обеспечивают быструю передачу сигналов в химических синап- сах. Эти каналы открываются при связывании с рецептором специфиче- ских агонистов — ацетилхолина, глутамата, глицина, гамма-амино- масляной кислоты и называются ионотропными. Примером являются каналы постсинаптической мембраны мионеврального синапса, вегета- тивных ганглиев; в) механосенситивные или стреч-каналы — чувствительны к растя- жению мембраны. Эти каналы обнаружены как в возбудимых клетках (слуховых клетках, механорецепторах, нейросекреторных клетках, гладкомышечных, кардиомиоцитах), так и невозбудимых (глиальных, сосудистом эндотелии, эритроцитах). Механизм влияния растяжения на вероятность открытия стреч-каналов еще неясен. Во многих клетках были обнаружены как неселективные, так и селективные (для ионов К и Сl) стреч-каналы. . В каналах второго вида рецептор внешнего сигнала пространст- венно разобщен с каналом. Взаимодействие рецептора и канала осуще- ствляется с помощью растворимых внутриклеточных вторичных по- средников. Эти каналы называются метаботропные. При взаимодейст- вии медиатора с рецептором на мембране активируется G-белок, который, в свою очередь, активирует фермент (аденилатциклазу, фос- фолипазу). В результате в цитоплазме образуются сигнальные молеку- лы вторичных посредников, которые влияют на проводимость канала.
Все клеточные мембраны поляризованы, т. е. регистрируется раз- ность потенциалов между наружной и внутренней стороной мембраны. Эта разность потенциалов получила название мембранный потенциал (МП), а в возбудимых тканях — мембранный потенциал покоя (МПП). Величина МПП возбудимых клеток составляет от –50 мВ до –90 мВ. Механизм формирования МПП объясняет мембранно-ионная тео- рия. Мембрана клеток возбудимых систем характеризуется наличием градиента катионов и анионов. Внутреннее содержимое клетки пред- ставлено преимущественно катионами калия и анионами органических кислот. Снаружи клетки находятся катионы натрия и анионы хлора. В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов калия (в скелетных мышечных волокнах и для ионов хлора), менее про-и (или) увеличении концентрации калия на наружной поверхности мембраны.
При действии на клетку раздражителя наблюдается быстрое измене- ние заряда мембраны, снижение ММП и даже изменение заряда на про- тивоположный. Этот процесс получил название процесс возбуждения. Возбуждение может протекать в двух формах: местное возбуждение (локальный ответ, ЛО) и распространяющееся возбуждение (потенциал действия, ПД). В зависимости от силы раздражители делятся на пороговые, подпо- роговые и сверхпороговые. Порог раздражения — это минимальная сила раздражителя, которая вызывает ответ клетки в форме ПД. Подпо- роговые раздражители вызывают местное возбуждение. Раздражители пороговой силы снижают МПП до некоторой величины, которая назы- вается критическим уровнем деполяризации (КУД). При достижении КУД на мембране открываются потенциал-управляемые натриевые и калиевые каналы. Проницаемость мембраны для ионов натрия резко повышается, натрий лавинообразно устремляется внутрь клетки, что вызывает перезарядку мембраны, внутренняя сторона которой стано- вится электроположительной по отношению к наружной. Эта фаза ПД называется быстрая деполяризация. При достижении пика ПД прони- цаемость мембраны для ионов натрия резко падает, а проницаемость для ионов калия становится максимальной. Ионы калия выходят из клетки через потенциал-управляемые каналы, в результате чего проис- ходит восстановление МПП. Эта фаза называется быстрая реполяриза- ция. Амплитуда ПД составляет 100—120 мВ, длительность 2—5 мс. Электровозбудимые натриевые каналы имеют два типа ворот — акти- вационные (m) и инактивационные (h) — и могут находиться в трех состояниях: — закрыты, готовы к работе (при МПП); — открыты, т. е. активированы (фаза быстрой деполяризации ПД); — инактивированы (пик ПД и начало фазы реполяризации). Электровозбудимые калиевые каналы имеют только один тип ворот (активационные) и поэтому могут находиться в двух состояниях: — закрыты, готовы к работе (при МПП); — открыты, т. е. активированы (фаза де- и реполяризации). ПД может сопровождаться следовыми процессами: — отрицательный следовой потенциал (следовая деполяризация); — положительный следовой потенциал (следовая гиперполяризация). Величина порога раздражения определяется соотношением МПП и КУД мембраны: порог = МПП – КУД. Порог является мерой возбудимости мембраны. Увеличение порога раздражения свидетельствует о понижении возбудимости, понижение порога — о повышении возбудимости мембраны. При действии на мембрану подпороговых раздражителей деполяри- зация не достигает критического уровня и ПД не возникает, формиру- ется местное возбуждение. Местное возбуждение обладает следующи- ми свойствами: 1) амплитуда зависит от силы раздражителя; 2) распространяется по мембране с затуханием, т. е. с уменьшением амплитуды; 3) способно к суммации и может перерасти в ПД, если деполяриза- ция достигнет КУД; 4) возбудимость мембраны повышается, т. к. МПП приближается к КУД. Свойства ПД: 1) возникает при действии пороговых и сверхпороговых раздражи- телей. Амплитуда не зависит от силы раздражителя. Всегда максимален по величине, т. е. подчиняется закону «Все или ничего»; 2) распространяется по мембране без изменения амплитуды. Во время развития ПД наблюдается изменение возбудимости мем- браны: а) фаза быстрой деполяризации — возбудимость резко падает. Раз- вивается состояние полной невозбудимости (абсолютный рефрактер- ный период); б) фаза быстрой реполяризации — возбудимость постепенно восста- навливается (относительный рефрактерный период); в) следовая деполяризация — возбудимость повышена; г) следовая гиперполяризация — возбудимость понижена. Состояние рефрактерности мембраны обусловлено полной или час- тичной инактивацией электровозбудимых натриевых каналов. Значение рефрактерного периода заключается в обеспечении дис- кретности ПД. Рефрактерность в свою очередь определяет лабильность возбудимой ткани. Лабильность — это способность возбудимых сис- тем воспроизводить ритм раздражения в свойственных им реакциях. Длительность рефрактерного периода определяет лабильность ткани: чем длиннее рефрактерный период, тем меньше лабильность. Мерой лабильности является максимальная частота элементарных актов воз-буждения, которые может воспроизводить возбудимая система в стро- гом соответствии с ритмом стимуляции. Высокой лабильностью обла- дают нервные волокна от 500 до 1000 имп/с, меньшей — мышечные — до 250 имп/с, самой низкой лабильностью характеризуется синапс — 100 имп/с. Функционирование Nа- и К-электровозбудимых каналов обеспечи- вает процесс возбуждения в клетках, поэтому большой интерес пред- ставляют вещества, изменяющие активность каналов. Часть этих ве- ществ имеют естественное происхождение (природные нейротоксины), часть — синтетические препараты. К природным блокаторам потенци- ал-управляемых натриевых каналов относится тетродотоксин — алка- лоид животного происхождения, выделяемый из рыбы фуку. Этот яд действует снаружи, формируя пробку в канале. По-иному действует батрахотоксин, секрет кожных желез колумбийской лягушки. Он бло- кирует быструю инактивацию канала, увеличивая период его открытия, что приводит к стойкой деполяризации мембраны. Подобным образом действует растительный алкалоид аконитин. Местные анестетики (новокаин, лидокаин, бензокаин, тетрокаин), которые по химической природе являются третичными аминами, препятствуют генерации ПД в нервных волокнах, встраиваясь между m- и h-воротами. Электровоз- будимые калиевые каналы блокирует тетраэтиламмоний.
циональной единицей центральной нервной системы (ЦНС). 1. Дендриты — это отростки нейрона, на которых располагаются синапсы других нейронов, выполняют функции восприятия информа- ции и проведения к телу нейрона. 2. Сома (тело нейрона) обеспечивает суммацию потенциалов, по- ступающих от дендритов и возникающих в собственных синапсах (ин- тегративная функция). 3. Аксонный холмик — это начальный сегмент аксона, наиболее воз- будимая часть нейрона, имеет самый низкий порог раздражения, место генерации ПД. 4. Аксон — отросток нейрона, который проводит возбуждение от те- ла нейрона к другим клеткам. 5. Пресинаптическое окончание (терминаль) выполняет функцию накопления медиатора и секреции в синаптическую щель. По выполняемой функции различают три основных типа нейронов: а) афферентные (чувствительные). По строению являются биполяр- ными (или псевдоуниполярными), их тела вынесены за пределы ЦНС и располагаются в чувствительных ганглиях. Воспринимают сигналы, возникающие в рецепторных образованиях органов чувств и проводят их в ЦНС; б) эфферентные (двигательные). По строению являются мультипо- лярными, их аксоны выходят за пределы ЦНС и обеспечивают контроль за эффекторными органами; в) вставочные (интернейроны, ассоциативные). По строению явля- ются мультиполярными. Выполняют интегративную функцию. Обраба- тывают информацию, поступающую от первичных афферентных ней- ронов и от других интернейронов и передают двигательным нейронам. По выделяемому медиатору нейроны бывают холинергические, ад- ренергические, пуринергические, серотонинергические и т. д. По расположению в ЦНС выделяют спинальные, бульбарные, кор- ковые и т. д.
Нервный ствол, или нерв,— это совокупность нервных волокон, по- крытых общей эпителиальной и соединительнотканной оболочкой. В состав смешанного нерва входят разные по функции волокна: двига- тельные, чувствительные, принадлежащие как соматической, так и ве- гетативной нервной системе. Нервные волокна— это отростки нервных клеток (аксоны и дендриты). Они представляют собой осевой цилиндр, покрытый плазматической мембраной и окруженный шванновскими клетками. По строению нервные волокна делятся на миелинизированные (мякотные) и немиелинизированные (безмякотные). В мякотных волок- нах шванновские клетки 20—300 раз обкручивают нервное волокно, в результате образуются миелиновые муфты и участки, свободные от миелиновой оболочки, — перехваты Ранвье. В перехватах Ранвье на- блюдается большая плотность электровозбудимых Nа-каналов — 2000 каналов/мкм2, тогда как в немиелинизированных мембранах 50— 500 каналов/мкм Механизм проведения возбуждения описывает теория локальных токов. Между возбужденным и невозбужденным участками мембраны создается разность потенциалов и протекает локальный ток выходящего направления, который деполяризует мембрану до КУД, что приводит к возникновению ПД. В немиелинизированных волокнах происходит последовательное возбуждение всех участков мембраны — эстафет- ный механизм. В миелинизированных волокнах возбуждение возникает только в перехватах Ранвье, т. е. распространяется скачками от пере- хвата к перехвату. Такой тип проведения получил название сальтатор- ного. Скорость проведения возбуждения в мякотных волокнах намного больше, чем в безмякотных. Нервные волокна делят на три класса — А, В и С (по Эрлангеру и Гассеру). Волокна А и В являются миелинизированными, С — немие- линизированными. К классу А относятся толстые миелинизированные волокна (от 3 до 22 мкм) со скоростями проведения от 15 до 120 м/с. Они разделяются на 4 группы: альфа, бета, гамма, дельта. Это двига- тельные волокна моторных нейронов скелетных мышц и афферентные волокна от проприорецепторов, рецепторов давления, температурных, болевых. Волокна класса В тоже миелинизированные, но более тонкие (1—3 мкм) и медленнопроводящие — 3—14 м/с. Они являются пре- имущественно преганглионарными волокнами вегетативной нервной системы. Волокна класса С — безмиелиновые, имеют наименьшую толщину и скорость проведения от 0,5 до 2 м/с. Являются постганглио- нарными волокнами вегетативной нервной системы и афферентами ре- цепторов боли и температуры.
В условиях целого организма возбуждение переходит с одной струк- туры на другую, с нервной клетки на нервную, с нервной на мышечную или на железистую. Структурное образование, с помощью которого про- исходит передача возбуждения с одной возбудимой структуры на дру- гую, называется синапсом. В зависимости от локализации синапсы при- нято делить на центральные, образованные нейронами ЦНС, и перифери- ческие, образованные нейронами и эффекторными клетками. Аксоны мотонейронов образуют синапсы с волокнами скелетных мышц. Благодаря своей форме они называются нервно-мышечными концевыми пластинками. Они имеют все типичные морфологические характеристики химических синапсов и состоят из трех частей: 1) пресинаптической мембраны нервного окончания; 2) синаптической щели (10—50 нм); 3) постсинаптической мембраны (субсинаптической), которая обра- зует складки, увеличивающие площадь ее поверхности. Пресинаптическое окончание содержит митохондрии и синаптиче- ские пузырьки диаметром около 50 нм. В пузырьках находится медиа- тор — ацетилхолин (Ах), который выделяется в синаптическую щель при возбуждении. Количество медиатора в одном пузырьке называется квантом и составляет примерно 10 000 молекул Ах. Количество пу- зырьков, выделяющихся в процессе возбуждения, называется кванто- вое число и достигает в разных синапсах от 200 до 2000. На постсинап- тической мембране находятся специфические макромолекулы, которые называются холинорецепторами. По химической природе они являются липопротеинами. Холинорецепторы связаны с хемовозбудимыми на- трий-калиевыми каналами мембраны. В области синаптической щели находится фермент ацетилхолинэстераза, который расщепляет Ах на холин и уксусную кислоту. ПД, распространяющийся по нервному волокну, достигает преси- наптической мембраны и вызывает ее деполяризацию, что приводит к повышению проницаемости мембраны для ионов кальция. Вход каль- ция в пресинаптическое окончание вызывает движение везикул к пре-синаптической мембране. Мембраны пузырьков сливаются с пресинап- тической мембраной, что вызывает выделение медиатора в щель. Этот процесс называется секрецией медиатора (экзоцитоз). Медиатор диф- фундирует через синаптическую щель и взаимодействует с холиноре- цепторами. Проницаемость постсинаптической мембраны для ионов натрия и калия резко повышается, и начинается движение натрия внутрь клетки, а калия из клетки. Натриевый ток превышает калиевый, т. к. натрий двигается по электрическому и концентрационному гради- ентам. На постсинаптической мембране развивается местная деполяри- зация, которая называется потенциалом концевой пластинки (ПКП) и достигает –50 мВ. Взаимодействие Ах с рецепторами постсинаптической мембраны продолжается очень короткое время (1—2 мс), т. к. он разрушается ферментом холинэстеразой. Значительная часть продуктов расщепле- ния Ах поступает в пресинаптическое окончание, где вновь использует- ся для синтеза Ах. Выход ионов калия через калиевые каналы утечки восстанавливает МПП. Потенциал концевой пластинки обладает всеми характеристиками местного возбуждения. На постсинаптической мембране никогда не возникает ПД, т. к. отсутствуют потенциал-управляемые каналы. Между постсинаптической и соседними участками электровозбуди- мой мембраны мышечного волокна возникают местные токи выходя- щего направления, которые деполяризуют мембрану до КУД, что при- водит к генерации ПД. 1. Одностороннее проведение информации, только с пресинаптиче- ской мембраны на постсинаптическую. 2. Задержка проведения информации (синаптическая задержка). 3. Низкая лабильность. 4. Высокая чувствительность к химическим веществам, в том числе к ядам. |