АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Раздел I

ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Каждая из ста триллионов клеток организма человека отличается чрезвычайно сложной структурой, способностью к самоорганизации и многостороннему взаимодей­ствию с другими клетками. Число процессов, осуществляемых каждой клеткой, и коли­чество перерабатываемой при этом информации намного превосходят то, что сегодня имеет место на каком-нибудь крупном производственном комбинате. Тем не менее клетка представляет собой лишь одну из сравнительно элементарных подсистем в сложной иерархии систем, формирующих живой организм.

Все эти системы являются в высшей степени упорядоченными. Нормальная функ­циональная структура любой из них и нормальное существование каждого элемента системы (в том числе каждой клетки) возможны благодаря непрерывному обмену ин­формацией между элементами (и между клетками).

Обмен информацией происходит посредством прямого (контактного) взаимодейст­вия между клетками, в результате транспорта веществ с тканевой жидкостью, лимфой и кровью (гуморальная связь — от лат. humor — жидкость), а также при передаче от клетки к клетке биоэлектрических потенциалов, что представляет самый быстрый способ передачи информации в организме. У многоклеточных организмов развилась специаль­ная система, обеспечивающая восприятие, передачу, хранение, переработку и воспроиз­ведение информации, закодированной в электрических сигналах. Это — нервная система, достигшая у человека наивысшего развития. Чтобы понять природу биоэлектрических явлений, т. е. сигналов, при помощи которых нервная система осуществляет передачу ин­формации, необходимо прежде всего рассмотреть некоторые стороны общей физиологии так называемых возбудимых тканей, к которым относятся нервная, мышечная и желези­стая ткани.

Глава 2

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Все живые клетки обладают раздражимостью, т. е. способностью под влиянием определенных факторов внешней или внутренней среды, так называемых раздражителей, переходить из состояния физиологического покоя в состояние активности. Однако тер­мин «возбудимые клетки» применяют лишь по отношению к нервным, мышечным и секре­торным клеткам, способным в ответ на действие раздражителя генерировать специали­зированные формы колебаний электрического потенциала.

Первые данные о существовании биоэлектрических явлений («животное электричество») были получены в третьей четверти XVIII в. при. изучении природы электрического разряда, наносимого некоторыми рыбами при защите и нападении. Многолетний научный спор (1791 —1797) между фи­зиологом JI. Гальвани и физиком А. Вольта о природе «животного электричества» завершился двумя крупными открытиями: были установлены факты, свидетельствующие о наличии электриче­ских потенциалов в нервной и мышечной тканях, и открыт новый способ получения электрического тока при помощи разнородных металлов — создан гальванический элемент («вольтов столб»). Од­нако первые прямые измерения потенциалов в живых тканях стали возможны только после изобре­тения гальванометров. Систематическое исследование потенциалов в мышцах и нервах в состоянии покоя и возбуждения было начато Дюбуа-Реймоном (1848). Дальнейшие успехи в изучении био­электрических явлений были тесно связаны с усовершенствованием техники регистрации быстрых колебаний электрического потенциала (струнные, шлейфные и катодные осциллографы) и методов их отведения от одиночных возбудимых клеток. Качественно новый этап в изучении электрических явлений в живых тканях — 40—50-е годы нашего века. С помощью внутриклеточных микроэлектро­дов удалось произвести прямую регистрацию электрических потенциалов клеточных мембран. Ус­пехи электроники позволили разработать методы изучения ионных токов, протекающих через мем­брану при изменениях мембранного потенциала или при действии на мембранные рецепторы биоло­гически активных соединений. В последние годы разработан метод, позволяющий регистрировать ионные токи, протекающие через одиночные ионные каналы.

Различают следующие основные виды электрических ответов возбудимых клеток: локальный ответ; распространяющийся потенциал действия и сопровождающие его следовые потенциалы; возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы; гене­раторные потенциалы и др. В основе всех этих колебаний потенциала лежат обратимые изменения проницаемости клеточной мембраны для определенных ионов. В свою очередь изменение проницаемости является следствием открывания и закрывания существующих в клеточной мембране ионных каналов под влиянием действующего раздражителя.

Энергия, используемая при генерации электрических потенциалов, запасена в покоя­щейся клетке в виде градиентов концентраций ионов Na⁺, Са²⁺, К⁺, С1~ по обе стороны поверхностной мембраны. Указанные градиенты создаются и поддерживаются работой специализированных молекулярных устройств, так называемых мембранных ионных на­сосов. Последние используют для своей работы энергию обмена веществ, выделяющуюся при ферментативном расщеплении универсального клеточного донатора энергии — аде- нозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Изучение электрических потенциалов, сопровождающих процессы возбуждения и торможения в живых тканях, имеет важное значение как для понимания природы этих процессов, так и для выявления характера нарушений деятельности возбудимых клеток при различных видах патологии.

В современной клинике особенно широкое распространение получили методы реги­страции электрических потенциалов сердца (электрокардиография), мозга (электроэн­цефалография) и мышц (электромиография).

ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ

Термином «мембранный потенциал» (потенциал покоя) принято называть транс­мембранную разность потенциалов; существующую между цитоплазмой и окружающим клетку наружным раствором. Когда клетка (волокно) находится в состоянии физиоло­гического покоя, ее внутренний потенциал отрицателен по отношению к наружному, ус­ловно принимаемому за нуль. У различных клеток мембранный потенциал варьирует от —50 до —90 мВ.

Чтобы измерить потенциал покоя и проследить его изменения, вызываемые тем или иным воздействием на клетку, применяют технику внутриклеточных микроэлектродов (рис. 1).

Микроэлектрод представляет собой микропипетку, т. е. тонкий капилляр, вытянутый из стек­лянной трубочки. Диаметр его кончика около 0,5 мкм. Микроиипетку заполняют солевым раствором (обычно 3 М К.С1), погружают в него металлический электрод (хлорированную серебряную прово­лочку) и соединяют с электроизмерительным прибором — осциллографом, снабженным усилителем постоянного тока.

Микроэлектрод устанавливают над исследуемым объектом, например скелетной мышцей, а за­тем при помощи микроманипулятора — прибора, снабженного микрометрическими винтами, вводят внутрь клетки. Электрод обычных размеров погружают в нормальный солевой раствор, в котором находится исследуемая ткань.

Как только микроэлектрод прокалывает поверхностную мембрану клетки, луч осцил­лографа сразу же отклоняется от своего исходного (нулевого) положения, обнаруживая
тем самым существование разности потенциалов между поверхностью и содержимым клетки. Даль­нейшее продвижение микроэлектрода внутри про­топлазмы на положении луча осциллографа не сказывается. Это свидетельствует о том, что по­тенциал действительно локализуется на клеточной мембране.

При удачном введении микроэлектрода мем­брана плотно охватывает его кончик и клетка со­храняет способность функционировать в течение нескольких часов, не проявляя признаков повреж­дения.

Существует множество факторов, меняющих потенциал покоя клеток: приложение электричес­кого тока, изменение ионного состава среды, воз­действие некоторых токсинов, нарушение кисло­родного снабжения ткани и т. д. Во всех тех слу­чаях, когда внутренний потенциал уменьшается (становится менее отрицательным), говорят о де­поляризации мембраны; противоположный сдвиг потенциала (увеличение отрицательного заряда внутренней поверхности клеточной мембраны) на­зывают гиперполяризацией.

природа потенциала покоя

Еще в 1896 г. В. Ю. Чаговец высказал гипотезу об ионном механизме электрических потенциалов в живых клетках и сделал попытку применить для их объяснения теорию электролитической диссоциации Аррениуса. В 1902 г. Ю. Бернштей-ном была развита мембранно-ионная теория, которую модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц (1949—1952). В настоящее время последняя теория пользуется всеобщим признанием. Согласно указанной теории, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено неравенством концентрации ионов Na⁺, К⁺, Са²⁺ и С1~ внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны.

Из данных табл. 1 видно, что содержимое нервного волокна богато К⁺ и органиче­скими анионами (практически не проникающими через мембрану) и бедно Na⁺ и С1~.

Концентрация К⁺ в цитоплазме нервных и мышечных клеток в 40—50 раз выше, чем в наружном растворе, и если бы мембрана в покое была проницаема только для этих ионов, то потенциал покоя соответствовал бы равновесному калиевому потенциалу (EJ, рассчитанному по формуле Нернста:

RT

■'"х-

где R — газовая постоянная, F — число Фарадея, Т—абсолютная температура, Ко — концентрация свободных ионов калия в наружном растворе, Кг — их концентрация в цитоплазме

При

Рис. 2. Возникновение разности потенциалов на искусственной мембране, разделяющей ра­створы KiSOi разной концентрации (С[ и С2).

Мембрана избирательно проницаема для ионов К⁴" (маленькие кружки) и не пропускает ионы SO Г (большие кружки). 1,2 — электроды,опушенные в раствор; 3 — электроизмерительный прибор.

Чтобы понять, каким образом возни­кает этот потенциал, рассмотрим следую­щий модельный опыт (рис. 2).

Представим сосуд, разделенный ис­кусственной полупроницаемой мембра­ной. Стенки пор этой мембраны заряжены электроотрицательно, поэтому они про­пускают только катионы и непроницаемы для анионов. В обе половины сосуда на­лит солевой раствор, содержащий ионы К⁺, однако их концентрация в правой части сосуда выше, чем в левой. Вслед­ствие этого концентрационного градиента ионы К⁺ начинают диффундировать из правой половины сосуда в левую, принося туда свой положительный заряд. Это при­водит к тому, что непроникающие анионы начинают скапливаться у мембраны в правой половине сосуда. Своим отрица­тельным зарядом они электростатически будут удерживать К⁺ у поверхности мем­браны в левой половине сосуда. В резуль­тате мембрана поляризуется, и между двумя ее поверхностями создается раз­ность потенциалов, соответствующая равновесному калиевому потенциалу (£к).

Предположение о том, что в состоя­нии покоя мембрана нервных и мышечных

волокон избирательно проницаема для К⁺ и что именно их диффузия создает потенциал покоя, было высказано Бернштейном еще в 1902 г. и подтверждено Ходжкиным с сотр. в 1962 г. в опытах на изолированных гигантских аксонах кальмара. Из волокна диаметром около 1 мм осторожно выдавливали цитоплазму (аксоплазму) и спавшуюся оболочку заполняли искусственным солевым раствором. Когда концентрация К⁺ в растворе была близка к внутриклеточной, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанав­ливалась разность потенциалов, близкая к значению нормального потенциала покоя (—50--- 80 мВ), и волокно проводило импульсы. При уменьшении внутриклеточной и повышении наружной концентрации К.⁺ потенциал мембраны уменьшался или даже изменялся его знак (потенциал становился положительным, если в наружном растворе концентрация К⁺ была выше, чем во внутреннем).

Такие опыты показали, что концентрированный градиент К⁺ действительно является основным фактором, определяющим величину потенциала покоя нервного волокна. Од­нако покоящаяся мембрана проницаема не только для К⁺, но (правда, в значительно меньшей степени) и для Na⁺. Диффузия этих положительно заряженных ионов внутрь клетки уменьшает абсолютную величину внутреннего отрицательного потенциала клет­ки, создаваемого диффузией К⁺. Поэтому потенциал покоя волокон (—50 - 70 мВ) менее отрицателен, чем рассчитанный по формуле Нернста калиевый равновесный по­тенциал.

Ионы С1~ в нервных волокнах не играют существенной роли в генезе потенциала покоя, поскольку проницаемость для них покоящейся мембраны относительно мала. В от­личие от этого в скелетных мышечных волокнах проницаемость покоящейся мембраны для ионов хлора сравнима с калиевой, и потому диффузия С1~ внутрь клетки увеличи­вает значение потенциала покоя. Рассчитанный хлорный равновесный потенциал (Eel)

при соотношении С1

ТТГ^=_85 мВ.

Таким образом, величина потенциала покоя клетки определяется двумя основными факторами: а) соотношением концентраций проникающих через покоящуюся поверхно­стную мембрану катионов и анионов; б) соотношением проницаемостей мембраны для этих ионов.

Для количественного описания этой закономерности используют обычно уравнение Гольд- мана — Ходжкина — Катца:

^М~ Р Р* • К?+ Р\_а• Na,4* Рсл• СIо" *

где Em — потенциал покоя, Р_ю P_Na, P_ci — проницаемости мембраны для ионов К⁺, Na⁺ и С1~ соот­ветственно; К₀⁺ Na₀⁺; С1₀" — наружные концентрации ионов К⁺, Na⁺ и СГ а Бц⁺ Naf и Cli" — их внутренние концентрации.

Было рассчитано, что в изолированном гигантском аксоне кальмара при Ещ = —50 мВ имеется следующее соотношение между ионными проницаемостями покоящейся мембраны:

Р_к:Рма-Ра= 1:0,04:0,45.

Уравнение дает объяснение многим наблюдаемым в эксперименте и в естественных условиях изменениям потенциала покоя клетки, например ее стойкой деполяризации при действии некоторых токсинов, вызывающих повышение натриевой проницаемости мембраны. К таким токсинам относятся растительные яды: вератридин, аконитин и один из наиболее сильных нейротоксинов — батра- хотоксин, продуцируемый кожными железами колумбийских лягушек.

Деполяризация мембраны, как это следует из уравнения, может возникать и при неизменной P_NA, если повысить наружную концентрацию ионов К⁺ (т. е. увеличить отношение Ko/Ki). Такое изменение потенциала покоя является отнюдь не только лабораторным феноменом. Дело в том, что концентрация К⁺ в межклеточной жидкости заметно повышается во время активации нервных и мышечных клеток, сопровождающейся повышением Р_к. Особенно значительно возрастает концен­трация К⁺ в межклеточной жидкости при нарушениях кровоснабжения (ишемия) тканей, например ишемии миокарда. Возникающая при этом деполяризация мембраны приводит к прекращению ге­нерации потенциалов действия, т. е. нарушению нормальной электрической активности клеток.

РОЛЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ГЕНЕЗЕ

И ПОДДЕРЖАНИИ ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ

(НАТРИЕВЫЙ НАСОС МЕМБРАНЫ)

Несмотря на то что потоки Na⁺ и К⁺ через мембрану в покое малы, разность кон­центраций этих ионов внутри клетки и вне ее должна была бы в конечном итоге вы­ровняться, если бы в клеточной мембране не существовало особого молекулярного уст­ройства — «натриевого насоса», которое обеспечивает выведение («выкачивание») из цитоплазмы проникающих в нее Na⁺ и введение («нагнетание») в цитоплазму К⁺. Натриевый насос перемещает Na⁺ и К⁺ против их концентрационных градиентов, т. е. совершает определенную работу. Непосредственным источником энергии для этой работы является богатое энергией (макроэргическое) соединение — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), являющаяся универсальным источником энергии живых клеток. Расщепление АТФ производится макромолекулами белка — ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой), локализованной в поверхностной мембране клетки. Энергия, выделяющаяся при расщеплении одной молекулы АТФ, обеспечивает выведение из клетки трех ионов Na⁺ взамен на два иона К⁺, поступающих в клетку снаружи.

Торможение активности АТФ-азы, вызываемое некоторыми химическими соединениями (например, сердечным гликозидом уабаином), нарушает работу насоса, вследствие чего клетка теряет К⁺ и обогащается Na ⁺. К такому же результату приводит торможение окислительных и гликолитических процессов в клетке, обеспечивающих синтез АТФ. В эксперименте это достигается при помощи ядов, ингибирующих указанные процессы. В условиях нарушения кровоснабжения тканей, ослабления процесса тканевого дыхания происходит угнетение работы электрогенного насоса и как следствие накопление К⁺ в межклеточных щелях и деполяризация мембраны.

Роль АТФ в механизме активного транспорта Na⁺ прямо доказана в опытах на ги­гантских нервных волокнах кальмара. Было установлено, что путем введения внутрь волокна АТФ можно временно восстановить работу натриевого насоса, нарушенную ин­гибитором дыхательных ферментов цианидом.

Первоначально полагали, что натриевый насос электронейтрален, т. е. число обме­ниваемых ионов Na⁺ и К⁺ равно. В дальнейшем выяснилось, что на каждые три иона Na⁺, выводимые из клетки, в клетку поступает только два иона К⁺. Это означает, что насос электрогенен: он создает на мембране разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом покоя.

Этот вклад натриевого насоса в нормальную величину потенциала покоя у различных клеток не одинаков: он, по-видимому, незначителен в нервных волокнах кальмара, но существен для потенциала покоя (составляет около 25% от полной величины) в гигантских нейронах моллюсков, гладких мышцах.

Таким образом, в формировании потенциала покоя натриевый насос играет двоякую роль: 1) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентраций Na⁺ и К⁺; 2) генерирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом, создаваемым диффузией К⁺ по концентрационному градиенту.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ

Потенциалом действия называют быстрое колебание мембранного потенциала, воз­никающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной проницаемости мембраны. Амплитуда и характер временных изменений потенциала действия мало зависят от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Возникнув в месте раздражения, потенциал действия распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды. Наличие порога и независимость амплитуды потенциала действия от силы вызвавшего его стимула получили название закона «все или ничего».

MB _

+30 —

t*

_ a I \6

! I t

-60 -

= 11 v

-100 —

Л Л Л Л

I I I I I i) I П И I I I I I I H 11 '

Рис. 3. Потенциал действия скелетного мышечного волокна. зарегистрированный с помощью внутри­клеточного микроэлектрода.

а — фи за:1сполнрк.<<тии_< б фаз я рсполярпзацни, в - фаза следовой деполяризации (отрицатель­ный следовой потенциал). Момент нанссения раздражении показан стрелкой.

Рис. 4. Потенциал действия гигантского аксона кальмара, отводимый г помощью внутриклеточного электрода [Ходжкин А.. 1965].

По вертикали отложены значения потенциала внутрнклеточного электрода по отношению к его потенциалу в наружном растворе (в милливольтах); а —следовой положительный потенциал; 6 отметка времени — 500 колебаний в 1 с.

В естественных условиях потенциалы действия генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распространение потен­циалов действия по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, потенциалы действия вызывают секрецию хими­ческих веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нерв­ные клетки. В мышечных клетках потенциалы действия инициируют цепь процессов, вы­зывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации потенциалов действия, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в част­ности, на процессы синтеза белков, составляющих ионные каналы и ионные насосы.

Для регистрации потенциалов действия используют вне- или внутриклеточные элект­роды. При внеклеточном отведении электроды подводят к наружной поверхности во­локна (клетки). Это позволяет обнаружить, что поверхность возбужденного участка на очень короткое время (в нервном волокне на тысячную долю секунды) становится заря­женной отрицательно по отношению к соседнему покоящемуся участку.

Использование внутриклеточных микроэлектродов позволяет количественно охарак­теризовать изменения мембранного потенциала во время восходящей и нисходящей фаз потенциала действия. Установлено, что во время восходящей фазы (фаза деполяриза­ции) происходит не просто исчезновение потенциала покоя (как это первоначально пред­полагали), а возникает разность потенциалов обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит реверсия мембранного потенциала. Во время нисходящей фазы (фазы реполяризации) мембранный потенциал возвращается к своему исходному зна­чению. На рис. 3 и 4 приведены примеры записей потенциалов действия в скелетном мышечном волокне лягушки и гигантском аксоне кальмара. Видно, что в момент достиже­ния вершины (пика) мембранный потенциал составляет + 30 / + 40 мВ и пиковое колеба­ние сопровождается длительными следовыми изменениями мембранного потенциала, после чего мембранный потенциал устанавливается на исходном уровне. Длительность пика потенциала действия у различных нервных и скелетных мышечных волокон варьи-

____ L-

б

Рис. 5. Суммация следовых потенциалов в диаф- рагмальном нерве кошки при кратковременном его раздражении ритмическими импульсами.

Восходящая часть потенциала действия не видна. Записи начинаются с отрицательных следовых потенциалов (а), переходящих в положительные потенциалы (б). Верхняя кривая — ответ на одиночное раздражение. С увеличенем частоты стимуляции (от 10 до 250 в 1 с) следовой положительный потенциал (следовая гиперполяризация) резко возрастает.

____

рует от 0,5 до 3 мс, причем фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации, б Длительность потенциала действия, особенно

фазы реполяризации, находится в тесной зависимости от температуры: при охлаждении на 10 °С продолжительность пика увеличивается примерно в 3 раза.

Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами.

Различают два вида следовых потенциалов — следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию. Амплитуда следовых потенциалов обычно не превышает нескольких милливольт (5—10% от высоты пика), а длительность их у различных волокон состав­ляет от нескольких миллисекунд до десятков и сотен секунд.

Зависимость пика потенциала действия и следовой деполяризации может быть рас­смотрена на примере электрического ответа скелетного мышечного волокна. Из записи, приведенной на рис. 3, видно, что нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполя­ризации) делится на две неравные части. Вначале падение потенциала происходит бы­стро, а затем сильно замедляется. Этот медленный компонент нисходящей фазы потен­циала действия называют следовой деполяризацией.

Пример следовой гиперполяризации мембраны, сопровождающей пик потенциала действия в одиночном (изолированном) гигантском нервном волокне кальмара, показан на рис. 4. В этом случае нисходящая фаза потенциала действия непосредственно пере­ходит в фазу следовой гиперполяризации, амплитуда которой в данном случае достигает 15 мВ. Следовая гиперполяризация характерна для многих безмякотных нервных воло­кон холоднокровных и теплокровных животных. В миелинизированных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер. Следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя. Следовые потен­циалы в значительно большей мере, чем пики потенциалов действия, чувствительны к изменениям исходного потенциала покоя, ионного состава среды, кислородного снабже­ния волокна и т. д.

Характерная особенность следовых потенциалов — их способность изменяться в процессе ритмической импульсации (рис. 5).

ИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

Как отмечалось, в состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток К.⁺ из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный поток Na⁺. Поэтому наружная сто­рона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для Na⁺ резко повышается и в конечном итоге становится примерно в 20 раз больше проницаемости для К⁺. Поэтому поток Na⁺ из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать
направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутреннее со­держимое клетки становится заряженным положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе потенциала действия (фаза деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для Na⁺ продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для Na⁺ вновь понижается, а для К⁺ возрастает. воемя, «с

Процесс, ведущий к понижению ранее ^, ₀ „ „ - / \

^к „ ^J „ ^к Рис. 6. Временной ход изменении натриевои (g_Na)

увеличенной натриевои ^ проницаемости _{и каЛ}иевой (g_K) проницаемости мембраны гигант- мембраны, назван натриевой инактивацией, ского аксона кальмара во время генерации потен- В результате инактивации поток Na⁺ внутрь циала действия (V).

цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока К⁺ из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружному раствору. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза потенциала действия (фаза реполяри-зации).

Одним из важных аргументов в пользу натриевой теории происхождения потенциалов дей­ствия был факт тесной зависимости его амплитуды от концентрации Na⁺ во внешнем растворе. Опыты на гигантских нервных волокнах, перфузируемых изнутри солевыми растворами, позволили получить прямое подтверждение правильности натриевой теории. Установлено, что при замене аксоплазмы солевым раствором, богатым К⁺, мембрана волокна не только удерживает нормальный потенциал покоя, но в течение длительного времени сохраняет способность генерировать сотни тысяч потенциалов действия нормальной амплитуды. Если же К⁺ во внутриклеточном растворе частично заменить на Na⁺ и тем самым снизить градиент концентрации Na⁺ между наружной средой и внутренним раствором, амплитуда потенциала действия резко понижается. При полной замене К⁺ HaNa⁺ волокно утрачивает способность генерировать потенциалы действия.

Эти опыты не оставляют сомнения в том, что поверхностная мембрана действительно является местом возникновения потенциала как в покое, так и при возбуждении. Становится очевидным, что разность концентраций Na⁺ и К⁺ внутри и вне волокна является источником электродвижущей силы, обусловливающей возникновение потенциала покоя и потенциала действия.

На рис. 6 показаны изменения натриевой и калиевой проницаемости мембраны во время генерации потенциала действия в гигантском аксоне кальмара. Аналогичные отно­шения имеют место в других нервных волокнах, телах нервных клеток, а также в скелет­ных мышечных волокнах позвоночных животных. В скелетных мышцах ракообразных животных и гладких мышцах позвоночных в генезе восходящей фазы потенциала дейст­вия ведущую роль играют ионы Са²⁺. В клетках миокарда начальный подъем потен­циала действия связан с повышением проницаемости мембраны для Na⁺, а плато по­тенциала действия обусловлено повышением проницаемости мембраны и для ионов Са²⁺.

О ПРИРОДЕ ИОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембраны при генерации потенциала действия лежат процессы открывания и закрывания специализированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами: 1) избира­тельностью (селективностью) по отношению к определенным ионам; 2) электровозбуди­
мостью, т. е. способностью открываться и закрываться в ответ на изменения мембранного потенциала. Процесс открывания и закрывания канала имеет вероятностный характер (мембранный потенциал лишь определяет вероятность нахождения канала в открытом или закрытом состоянии).

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизы­вающими липидный бислой мембраны. Химическая структура этих макромолекул еще на расшифро­вана, поэтому представления о функциональной организации каналов строятся пока главным обра­зом косвенно — на основании анализа данных, полученных при исследованиях электрических яв­лений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов (токсинов, ферментов, лекарственных веществ и т. д.). Принято считать, что ионный канал состоит из собственно транс­портной системы и так называемого воротного механизма («ворот»), управляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух положениях: они полностью закрыты или пол­ностью открыты, поэтому проводимость одиночного открытого канала — постоянная величина. Суммарная проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона.

Это положение может быть записано следующим образом:

iV ■ су,

где gi — суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона; N — общее число соот­ветствующих ионных каналов (в данном участке мембраны); а - -доля открытых каналов; у — проводимость одиночного канала.

По своей селективности электровозбудимые ионные каналы нервных и мышечных клеток под­разделяются на натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные. Селективность эта не абсолютная: название канала указывает лишь ион, для которого данный канал наиболее проницаем.

Вну трепни* потенциал 4 6 8 -во -20 0?0 40 чЕ) время, мс ф Рис.7. Временной ход изменений натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны при де­поляризации мембраны аксона на 56 мВ.

Через открытые каналы ионы движутся по концентрационному и электрическому градиентам. Эти потоки ионов приводят к изменениям мембранного потенциала, что в свою очередь изменяет среднее число открытых каналов и соответственно величину ион­ных токов и т. д. Такая круговая связь важна для генерации потенциала действия, но она делает невозможным количественную оценку зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала. Для изучения этой зависимости применяется «метод фиксации потенциала». Сущность данного метода состоит в насильственном под­держании мембранного потенциала на любом заданном уровне. Так, подавая на мембра­ну ток, равный по величине, но обратный по знаку ионному току, проходящему через открытые каналы, и измеряя этот ток при различных потенциалах, исследователи полу­чают возможность проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мем-

Рис. 8. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала. Канал (1) образован макромолекулой белка 2), суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (ш) и инактивационпые (h) «ворота», которые управляются электрическим полем мембраны. При потенциале покоя (а) наиболее вероятным является положение «закры­то» для активационных ворот и положение «открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны (б) приводит к быстрому открыванию т-«ворот» и медленному закрыванию Ь-«ворот», поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются открытыми и через канал могут двигаться ионы в соот­ветствии с их концентрационными и электрическими градиентами. При продолжающейся деполяризации (и) инактивационные «ворота» закрываются и канал переходит в состояние инактивации.

браны. Чтобы из общего ионного тока, протекающего через мембрану, выделить его ком­поненты, соответствующие потокам ионов, например, через натриевые каналы, исполь­зуют химические агенты, специфически блокирующие все другие каналы. Соответствен­ным образом поступают при измерениях калиевого или кальциевого токов.

На рис. 7 показаны изменения натриевой (g_Na) и калиевой (g%) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации. Как отмечалось, величины g_Na и g_K отражают число одновременно открытых натриевых или калиевых каналов. Как видно, g_Na быстро, за доли миллисекунды, достигла максимума, а затем медленно начала снижаться до исходного уровня. После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться постепенно восстанавливается в течение десятков миллисекунд.

Для объяснения такого поведения натриевых каналов высказано предположение о суще­ствовании в каждом канале двух типов «ворот» — быстрых активационных и медленных инактивационных. Как следует из названия, на­чальный подъем g_Na связан с открыванием активационных ворот («процесс активации»), последующее падение g_Na, во время продолжа­ющейся деполяризации мембраны, -с закры­ванием инактивационных ворот («процесс инактивации»).

На рис. 8, 9 схематически изображена организация натриевого канала, облегчающая понимание его функций. Канал имеет наружное и внутреннее расши­рения («устья») и короткий суженный участок, так называемый селективный фильтр, в котором происходит «отбор» катионов по их размеру и свойствам. Судя по размеру наибольшего проникающего через натриевый канал катиона, отверстие фильтра не меньше 0,3—0,5 нм. При прохождении через фильтр рис. 9. Состояние натриевых и калиевых ка-ионы Na⁺ теряют часть своей гидратной оболочки, налов в различные фазы потенциалов дей-Активационные (т) и инактивационные (h) «воро- ствия (схема). Объяснение в тексте.

та* расположены в области внутреннего конца натриевого канала, причем «ворота» h обращены в сторону цитоплазмы. К такому заключению пришли на основании того факта, что приложение неко­торых протеолитических ферментов (проназы) к внутренней стороне мембраны приводит к устра­нению натриевой инактивации (разрушает h-«ворота»).

В состоянии покоя «ворота» т закрыты, тогда как «ворота» h открыты. При деполяризации в начальный момент «ворота» т и h открыты — канал находится в проводящем состоянии. Затем инактивационные ворота закрываются — канал инактивируется. После окончания деполяризации «ворота» h медленно открываются, а «ворота» т быстро закрываются и канал возвращается в исход­ное покоящееся состояние.

Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин,— соедине­ние, синтезируемое в тканях некоторых видов рыб и саламандр. Это соединение входит в наружное устье канала, связывается с какими-то пока неидентифицированными хими­ческими группами и «закупоривает» канал. Используя радиоактивно меченный тетродо­токсин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток эта плотность варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.

Функциональная организация калиевых каналов сходна с таковой натриевых кана­лов, различия лишь в их селективности и кинетике процессов активации и инактивации. Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: для Na⁺ калиевые каналы практически непроницаемы; диаметр их селективного фильтра около 0,3 нм. Акти­вация калиевых каналов имеет примерно на порядок более медленную кинетику, чем активация натриевых каналов (см. рис. 7). На протяжении 10 мс деполяризации g_K не об­наруживает тенденции к инактивации: калиевая инактивация развивается только при многосекундной деполяризации, мембраны.

Следует подчеркнуть, что такие соотношения между процессами активации и инактивации калиевых каналов характерны только для нервных волокон. В мембране многих нервных и мышечных клеток существуют калиевые каналы, которые сравнительно быстро инактивируются. Обнаружены также быстро активирующиеся калиевые каналы. Наконец, существуют калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а внутриклеточным Са²⁺.

Калиевые каналы блокируются органическим катионом тетраэтиламмонием, а так­же аминопиридинами.

Кальциевые каналы характеризуются медленной кинетикой процессов активации (миллисекунды) и инактивации (десятки и сотни миллисекунд). Их селективность оп­ределяется наличием в области наружного устья каких-то химических групп, обладаю­щих повышенным сродством к двухвалентным катионам: Са²⁺ связывается с этими груп­пами и только после этого проходит в полость канала. Для некоторых двухвалентных катионов сродство к указанным группам настолько велико, что, связываясь с ними, они блокируют движение Са²⁺ через канал. Так действует Мп²⁺. Кальциевые каналы могут быть блокированы также некоторыми органическими соединениями (верапамил, нифедипин), используемыми в клинической практике для подавления повышенной элек­трической активности гладких мышц.

Характерная особенность кальциевых каналов — их зависимость от метаболизма и, в частности, от циклических нуклеотидов (цАМФ и цГМФ), регулирующих процессы фосфорилирования и дефосфорилирования белков кальциевых каналов.

Скорость процессов активации и инактивации всех ионных каналов увеличивается с возрастанием деполяризации мембраны; соответственно увеличивается до некоторой предельной величины число одновременно открытых каналов.

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ

ВО ВРЕМЯ ГЕНЕРАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Известно, что восходящая фаза потенциала действия связана с повышением натрие­вой проницаемости. Процесс повышения g_Na развивается следующим образом.

В ответ на начальную деполяризацию мембраны, вызванную раздражителем, откры­вается лишь небольшое число натриевых каналов. Их открывание, однако, приводит к возникновению входящего внутрь клетки потока ионов Na⁺ (входящий натриевый ток), который увеличивает начальную деполяризацию. Это ведет к открыванию новых натрие­вых каналов, т. е. к дальнейшему повышению g_Na соответственно входящего натриевого тока, а следовательно, к дальнейшей деполяризации мембраны, что, в свою очередь, обусловливает еще большее повышение g_Na и т. д. Такой круговой лавинообразный процесс получил название регенеративной (т. е. самообновляющейся) деполяризации. Схематически он может быть изображен следующим образом:

Раздражитель--------------------------------------- > Деполяризация мембраны

i I

Входящий Повышение натриевый < ■ ■ натриевой ток проницаемости

Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершаться повыше­нием внутреннего потенциала клетки до величины равновесного нернстовского потен­циала для ионов Na⁺:

р _ RT,_n Nao^f

где Na₀⁺— наружная, a Nai⁺ — внутренняя концентрация ионов Na⁺,

При наблюдаемом соотношении — 10 Еы» = +55 мВ.

Эта величина является предельной для потенциала действия. В действительности, однако, пиковый потенциал никогда не достигает величины E_Na, во-первых, потому, что мембрана в момент пика потенциала действия проницаема не только для, ионов Na⁺, но и для ионов К⁺ (в значительно меньшей степени). Во-вторых, подъему потенциала действия до величины E_Na противодействуют восстановительные процессы, ведущие к восстановлению исходной поляризации (реполяризация мембраны).

Такими процессами являются снижение значения g_Na и повышение уровня g_K-

Снижение g_Na обусловлено тем, что активация натриевых каналов во время деполя­ризации сменяется их инактивацией; это приводит к быстрому уменьшению числа откры­тых натриевых каналов. Одновременно под влиянием деполяризации начинается медлен­ная активация калиевых каналов, обусловливающая рост значения gk. Следствием увели­чения g_K является усиление выходящего из клетки потока ионов К⁺ (выходящий калие­вый ток).

В условиях понижения g_Na, связанного с инактивацией натриевых каналов, выходя­щий ток ионов К⁺ приводит к реполяризации мембраны или даже к ее временной («сле­довой») гиперполяризации, как это имеет место, например, в гигантском аксоне кальмара (см. рис. 4).

Реполяризация мембраны в свою очередь ведет к закрыванию калиевых каналов и, следовательно, ослаблению выходящего калиевого тока. Вместе с тем под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации: открываются инактивационные ворота и натриевые каналы возвращаются в состояние покоя.

На рис. 9 схематически показано состояние натриевых и калиевых каналов в различ­ные фазы развития потенциала действия.

Все агенты, блокирующие натриевые каналы (тетродотоксин, местные анестетики и многие другие препараты), снижают крутизну нарастания и амплитуду потенциала дей­ствия и тем в большей степени, чем выше концентрация этих веществ.

3J

АКТИВАЦИЯ НАТРИЙ-КАЛИЕВОГО НАСОСА ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ

Возникновение серии импульсов в нервном или мышечном волокне сопровождается обогащением протоплазмы Na⁺ и потерей К⁺. Для гигантского аксона кальмара диамет­ром 0,5 мм подсчитано, что во время одиночного нервного импульса через каждый квадратный микрон мембраны в протоплазму поступает около 20 ООО Na⁺ и столько же К⁺ покидает волокно. В итоге при каждом импульсе аксон теряет около одной миллион­ной общего содержания калия. Хотя эти потери очень незначительны, при ритмическом следовании импульсов, суммируясь, они должны были бы привести к более или менее заметным изменениям концентрационных градиентов.

Особенно быстро такие концентрационные сдвиги должны были бы развиваться в тонких нервных и мышечных волокнах и мелких нервных клетках, обладающих малым по отношению к поверхности объемом цитоплазмы. Этому, однако, противодействует натриевый насос, активность которого возрастает при повышении внутриклеточной кон­центрации ионов Na⁺.

Усиление работы насоса сопровождается значительным повышением интенсивности обменных процессов, поставляющих энергию для активного переноса ионов Na⁺ и К⁺ через мембрану. Это проявляется усилением процессов распада и синтеза АТФ и креатин- фосфата, увеличением потреблении клеткой кислорода, повышением теплопродукции и т. п.

Благодаря работе насоса нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na⁺ и К⁺ по обе стороны мембраны полностью восстанавливается. Следует, однако, подчеркнуть, что скорость выведения Na⁺ из цитоплазмы с помощью насоса относительно мала: она примерно в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.

Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану (рис. 10). Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии, поэтому его называют пассивным ионным транспортом. Он ответствен за возникновение потенциала покоя и потенциала действия и ведет в конечном итоге к выравниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны. Второй тип движения ионов через мембрану, осуществляющийся против концентрационного гра­диента, состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ионов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ионным транспортом. Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омы­вающей клетку жидкостью. Активный транспорт — результат работы натриевого насоса, благодаря которому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, нару­шающаяся при каждой вспышке возбуждения.

Риг. 10. Две системы транспорта ионов через мембрану.

Справа — движение ионов Na"¹" н К^ по ионным каналам но время возбуждения в соответствии с концентрационным и электрическим градиентами. Слева — активный гран спорт но нов против концен­трационного градиента за счет энергии метаболиз­ма {«катриеиый нагое»). Активный трапе порт обес­печивает поддержу кие и восстановление ионных градиентов, изменяющихся ао время импульсной активности. Пунктирной линией обизначена та часть оттока Na ¹, которая не исчезает при удале­нии и.1 наружного раствора попов К^ (Хиджкин А., 1965].

МЕХАНИЗМ РАЗДРАЖЕНИЯ КЛЕТКИ (ВОЛОКНА) ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

В естественных условиях генерацию потенциала действия вызывают так называемые лестные токи, возникающие между возбужденным (деполяризованным) и покоящимся участками клеточной мембраны. Поэтому электрический ток рассматривается как аде- сватный раздражитель для возбудимых мембран и успешно используется в эксперимен­тах при изучении закономерностей возникновения потенциалов действия.

Минимальную силу тока, необходимую и достаточную для инициации потенциала (ействия, называют пороговой, соответственно раздражители большей и меньшей силы >бозначают подпороговыми и сверхпороговыми. Пороговая сила тока (пороговый ток) i определенных пределах находится в обратной зависимости от длительности его дейст-;ия. Существует также некоторая минимальная крутизна нарастания силы тока, ниже:оторой последний утрачивает способность вызывать потенциал действия.

Существуют два способа подведения тока к тканям для измерения порога раздражения и, ледовательно, для определения их возбудимости. При первом способе — внеклеточном — оба лектрода располагают на поверхности раздражаемой ткани. Условно принимают, что приложен­ий ток входит в ткань в области анода и выходит в области катода (рис. 11). Недостаток этого [етода измерения порога заключается в значительном ветвлении тока: только часть его проходит ерез мембраны клеток, часть же ответвляется в межклеточные щели. Вследствие этого при раз- ражении приходится применять ток значительно большей силы, чем необходимо для возникновения озбуждения.

При втором способе подведения тока к клеткам — внутриклеточном — микроэлектрод вводят клетку, а обычный электрод прикладывают к поверхности ткани (рис. 12). В этом случае весь ток [роходит через мембрану клетки, что позволяет точно определить наименьшую силу тока, необходи- [ую для возникновения потенциала действия. При таком способе раздражения отведение потен- [иалов производят с помощью второго внутриклеточного микроэлектрода.

Пороговая сила тока, необходимая для возникновения возбуждения различных клеток при нутриклеточном раздражающем электроде, равна 10"⁷— 10"⁹ А.

В лабораторных условиях и при проведении некоторых клинических исследований для раз- [ражения нервов и мышц применяют электрические стимулы различной формы: прямоугольной, инусоидальной, линейно и экспоненциально нарастающей, индукционные удары, конденсаторные |азряды и т. п.

Осциллограф Рис. 12. Раздражение и отведение потенци­алов через внутриклеточные микроэлектро­ды. Объяснение в тексте.

Механизм раздражающего действия тока при всех видах стимулов в принципе оди- тков, однако в наиболее отчетливой форме он выявляется при использовании постоян- юго тока.

ДЕЙСТВИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ВОЗБУДИМЫЕ ТКАНИ

Полярный закон раздражения

При раздражении нерва или мышцы постоянным током возбуждение возникает в момент замыкания постоянного тока только под катодом, а в момент размыкания — только под анодом. Эти факты объединяют под названием полярного закона раздраже­ния, открытого Пфлюгером в 1859 г. Полярный закон доказывается следующими опы­тами. Умерщвляют участок нерва под одним из электродов, а второй электрод уста­навливают на неповрежденном участке. Если с неповрежденным участком сопри­касается катод, возбуждение возникает в момент замыкания тока; если же катод устанавливают на поврежденном участке, а анод — на неповрежденном, возбуждение возникает только при размыкании тока. Порог раздражения при размыкании, когда возбуждение возникает под анодом, значительно выше, чем при замыкании, когда возбуждение возникает под катодом.

Изучение механизма полярного действия электрического тока стало возможным только после того, как был разработан описанный метод одновременного введения в клетки двух микроэлектродов: одного — для раздражения, другого — для отведения по­тенциалов. Было установлено, что потенциал действия возникает только в том случае, если катод находится снаружи, а анод — внутри клетки. При обратном расположении полюсов, т. е. наружном аноде и внутреннем катоде, возбуждения при замыкании тока не возникает, как бы силен он ни был.

Прохождение через нервное или мышечное волокно электрического тока прежде всего вызывает изменения мембранного потенциала.

В области приложения к поверхности ткани анода положительный потенциал на наружной стороне мембраны возрастает, т. е. происходит гиперполяризация, а в том случае, когда к поверхности приложен катод, положительный потенциал на наружной стороне мембраны снижается — возникает деполяризация.

На рис. 13, а показано, что как при замыкании, так и при размыкании тока изменения мембранного потенциала нервного волокна не возникают и не исчезают мгновенно, а плавно развиваются во времени.

Объясняется это тем, что поверхностная мембрана живой клетки обладает свойствами кон­денсатора. Обкладками этого «тканевого конденсатора» служат наружная и внутренняя поверхности мембраны, а диэлектриком — слой липидов, обладающий значительным сопротивлением. Ввиду на­личия в мембране каналов, через которые могут проходить ионы, сопротивление этого слоя не равно бесконечности, как в идеальном конденсаторе. Поэтому поверхностную мембрану клетки обычно уподобляют конденсатору с параллельно включенным сопротивлением, по которому может происходить утечка зарядов (рис. 13,а).

Временной ход изменений мембранного потенциала при включении и выключении тока (рис. 13, б) зависит от емкости С и сопротивления мембраны R. Чем меньше произведение RC — постоянная времени мембраны, тем быстрее при данной силе тока нарастает потенциал и, наоборот, большей величине RC соответствует меньшая скорость увеличения потенциала.

Изменения мембранного потенциала возникают не только непосредственно в точках приложе­ния к нервному волокну катода и анода постоянного тока, но и на некотором расстоянии от полю­сов с той, однако, разницей, что их величина постепенно убывает по мере удаления от катода и анода. Объясняется это так называемыми кабельными свойствами нервного и мышечного волокон. Однородное нервное волокно в электрическом отношении представляет собой кабель, т. е. сердечник с низким удельным сопротивлением (аксоплазма), покрытый изоляцией (мембраной) и помещен­ный в хорошо проводящую среду. Эквивалентная схема кабеля приведена на рис. 13, б. При про­пускании через некоторую точку волокна длительное время постоянного тока наблюдается стацио­нарное состояние, при котором плотность тока и, следовательно, изменение мембранного потен­циала максимальны в месте приложения тока (т. е. непосредственно под катодом и анодом); с удале­нием от полюсов плотность тока и изменения потенциала на мембране экспоненциально уменьшают­ся по длине волокна. Поскольку рассматриваемые изменения мембранного потенциала в отличие от локального ответа потенциала действия или следовых потенциалов не связаны с изменениями ион­ной проницаемости мембраны (т. е. активным ответом волокна), их принято называть пассивными,

Наружная сторона Потенциал Рис. 13. Простейшая электрическая схема, воспроизводящая электрические свойства мембраны (а) и изменения мембранного потенциала под катодом и анодом постоянного тока подпороговой си­лы (б). а: С — емкость мембраны, R — сопротивление, Е — электродвижущая сила мембраны в покое (потенциал покоя). Приведены средние значения R, С и Е для мотонейрона, б — деполяризация мембраны (1) под като­дом и гиперполяризация (2) под анодом при прохождении через нервное волокно слабого подпорогового тока.

или «электротоническими», изменениями мембранного потенциала. В чистом виде последние могут быть зарегистрированы в условиях полной блокады ионных каналов химическими агентами. Разли­чают кат- и анэлектротонические изменения потенциала, развивающиеся в области приложения соответственно катода и анода постоянного тока.

Критический уровень деполяризации

Регистрация изменений мембранного потенциала при внутриклеточном раздраже­нии нервного или мышечного волокна показала, что потенциал действия возникает в тот момент, когда деполяризация мембраны достигает критического уровня. Этот критиче­ский уровень деполяризации не зависит от характера примененного стимула, расстояния между электродами и т. п., а определяется исключительно свойствами самой мембраны.

Рис. 14. Изменение мембранного потенциа­ла до критического уровня деполяризации мембраны при действии раздражающего тока разной силы и длительности.

На рис. 14 схематически показаны изменения мембранного потенциала нервного во­локна под влиянием длительного икоротких стимулов различной силы. Во всех случаях потенциал действия возникает тогда, когда мембранный потенциал достигает критиче­ской величины. Скорость, с которой происходит деполяризация мембраны, при прочих равных условиях зависит от силы раздражающего тока. При токе слабой силы деполяризация развивается медленно, поэтому для возникновения потенциала действия стимул должен быть большей длительности. В случае усиления раздражающего тока скорость развития деполяризации возрастает и соответственно уменьшается минимальное время, необходимое для возникновения возбуждения. Чем быстрее развивается деполяризация мембраны, тем меньше минимальное время, необходимое для генерации потенциала действия, и наоборот.

Локальный ответ

В механизме критической деполяризации мембраны наряду с пассивными существенную роль играют активные подпороговые изменения мембранного потенциала, проявляющиеся в форме так называемого локального ответа.

Рис. 15. Локальный ответ нервного волокна.А, Б, В - изменения мембранного потенциала нервного волокна, вызываемые действием подпоро- гиноги гока короткой длительности. На кривых Б и В к пассивной деполяризации мембраны присоеди­няется и активная подпороговая деполяризация в форме локальнога ответа. Локальный ответ отде­лен от пассивных изменений потенциала пунктир­ной линией. При пороговой силе гока (Г) локаль­ный ответ перерастает в потенциал действия (его вершина на рисунке не показана).

X

О

D

Реобаза А

О

Время

Рис. 16. Кривая силы — длительности. Объяс­нение в тексте.

Первые признаки локального ответа появляются при действии стимулов, составляю­щих 50—75 % от пороговой величины. По мере дальнейшего усиления раздражающего тока локальный ответ увеличивается, и в момент, когда деполяризация мембраны, обу­словленная суммой катэлектротонического потенциала и локального ответа, достигает критического уровня, возникает потенциал действия (рис. 15).

Локальный ответ, так же как и потенциал действия, обусловлен повышением натрие­вой проницаемости мембраны. Однако при подпороговом стимуле это начальное повы­шение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю регенера­тивную деполяризацию мембраны. Развитие деполяризации тормозится процессами инактивации натриевых и активации калиевых каналов. Поэтому рост локального ответа приостанавливается, а затем происходит реполяризация мембраны. Амплитуда локаль­ного ответа увеличивается по мере приближения силы стимула к порогу, и при достиже­нии последнего локальный ответ перерастает в потенциал действия, поскольку скорость увеличения натриевой проницаемости мембраны начинает превышать скорость роста калиевой проницаемости.

Зависимость пороговой силы раздражителя от его длительности

Пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. Особенно четко эта зависимость проявляется при ис­пользовании в качестве раздражителя прямоугольных импульсов постоянного тока.

Представленная на рис. 16 кривая называется кривой силы — длительности, или силы — времени. Она была изучена при исследовании различных нервов и мышц Гоорве- гом (1892), Вейсом (1901) и Лапиком (1909).

По этой кривой прежде всего можно судить о том, что ток ниже некоторой минималь­ной силы или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он ни действовал. Минимальная сила постоянного тока, способная вызвать возбуждение (порог раздра­жения), названа Лапиком реобазой (ордината OA). Наименьшее время (отрезок ОС), в течение которого должен действовать раздражающий стимул, величиной в одну реобазу называют полезным временем. Слово «полезное» здесь применено с целью подчеркнуть, что дальнейшее увеличение длительности действия тока не имеет значения (бесполезно) для возникновения потенциала действия.

Усиление тока приводит к укорочению минимального времени раздражения, но не беспредельно. Как видно на рис. 16, при очень коротких стимулах кривая силы — вре­мени становится параллельной оси ординат. Это означает, что при таких кратковре­менных раздражениях возбуждения не возникает, как бы ни была велика сила раздра­жителя. Поэтому, кроме полезного времени, в качестве времени константы раздраже­
ния Лапик ввел понятие «хронаксия». Хронаксия - это время, в течение которого дол­жен действовать ток удвоенной реобазы, чтобы вызвать возбуждение.

Дата добавления: 2015-05-19 | Просмотры: 1458 | Нарушение авторских прав