Изменение МП возникают не только непосредственно в точках приложения к нервному волокну катода и анода , но и на некотором расстоянии от них, но величина этих сдвигов убывает по мере удаления от электродов. Изменения МП под электродами носят название электротонических (соответственно кат-электротон и ан-электротон), а за электродами - периэлектротонических (кат- и ан - периэлектротон).
Увеличение МП под анодом (пассивная гиперполяризация) не сопровождается изменением ионной проницаемости мембраны даже при большой силе приложенного тока. Поэтому при замыкании постоянного тока возбуждение под анодом не возникает. В отличие от этого, уменьшение МП под катодом (пассивная деполяризация) влечет за собой кратковременное повышение проницаемости для Na, что приводит к возбуждению.
Повышение проницаемости мембраны для Na при пороговом раздражении не сразу достигает максимальной величины. В первый момент деполяризация мембраны под катодом приводит к небольшому увеличению натриевой проницаемости и открытию небольшого числа каналов. Когда же под влиянием этого в протоплазму начинают поступать заряженные положительно ионы Na+, то деполяризация мембраны усиливается. Это ведет к открытию других Na-каналов, и, следовательно, к дальнейшей деполяризации, которая, в свою очередь, обуславливает еще большее повышение натриевой проницаемости. Этот круговой процесс, основанный на т. н. положительной обратной связи, получил название регенеративной деполяризации. Возникает она только при снижении Ео до критического уровня (Ек). Причина повышения натриевой проницаемости при деполяризации связана, вероятно, с удалением Са++ из натриевых ворот при возникновении электроотрицательности (или снижении электроположительности) на наружной стороне мембраны.
Повышенная натриевая проницаемость через десятые доли миллисекунды за счет механизмов натриевой инактивации прекращается.
Скорость, с которой происходит деполяризация мембраны, зависит от силы раздражающего тока. При слабой силе деполяризация развивается медленно, и поэтому для возникновения ПД такой стимул должен иметь большую длительность.
Локальный ответ, который возникает при под пороговых стимулах, так же, как и ПД, обусловлен повышением натриевой проницаемости мембраны. Однако при под пороговом стимуле это повышение недостаточно велико для того, чтобы вызвать процесс регенеративной деполяризации мембраны. Поэтому начавшаяся деполяризация приостанавливается инактивацией и повышением калиевой проницаемости.
Подводя итог изложенному выше, можно следующим образом изобразить цепь событий, развивающихся в нервном или мышечном волокне под катодом раздражающего тока: пассивная деполяризация мембраны ---- повышение натриевой проницаемости --- усиление потока Na внутрь волокна --- активная деполяризация мембраны -- локальный ответ --- превышение Ек --- регенеративная деполяризация --- потенциал действия (ПД).
Каков же механизм возникновения возбуждения под анодом при размыкании? В момент включения тока под анодом мембранный потенциал возрастает - происходит гиперполяризация. При этом разница между Ео и Ек растет, и для того, чтобы сдвинуть МП до критического уровня, нужна большая сила. При выключении тока (размыкание) исходный уровень Ео восстанавливается. Казалось бы, в это время нет условий для возникновения возбуждения. Но это справедливо только для того случая, если действие тока продолжалось очень короткое время (менее 100 мсек.). При длительном действии тока начинает меняться сам критический уровень деполяризации - он растет. И, наконец, возникает момент, когда новый Ек становится равным старому уровню Ео. Теперь при выключении тока возникают условия для возбуждения, ибо мембранный потенциал становится равным новому критическому уровню деполяризации. Величина ПД при размыкании всегда больше, чем при замыкании.
Зависимость пороговой силы стимула от его длительности. Как уже указывалось, пороговая сила любого стимула в определенных пределах находится в обратной зависимости от его длительности. В особенно четкой форме эта зависимость проявляется при использовании в качестве раздражителя прямоугольных толчков постоянного тока. Полученная в таких опытах кривая получила название "кривой силы-времени". Она была изучена Гоорвегом, Вейсом и Лапиком в начале века. Из рассмотрения этой кривой прежде всего следует, что ток ниже некоторой минимальной величины или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он не действовал. Минимальная сила тока, способная вызвать возбуждение, названа Лапиком реобазой. Наименьшее время, в течение которого должен действовать раздражающий стимул, называют полезным временем. Усиление тока приводит к укорочению минимального времени раздражения, но не беспредельно. При очень коротких стимулах кривая силы-времени становится параллельной оси координат. Это означает, что при таких кратковременных раздражениях возбуждения не возникает, как бы ни была велика сила раздражения.
Определение полезного времени практически затруднено, так как точка полезного времени находится на участке кривой, переходящей в параллельную. Поэтому Лапик предложил использовать полезное время двух реобаз - хронаксию. Ее точка находится на самом крутом участке кривой Гоорвега-Вейса. Хронаксиметрия получила широкое распространение как в эксперименте, так и в клинике для диагностики повреждений волокон двигательных нервов.
Выше уже указывалось, что деполяризация мембраны приводит к началу двух процессов: одного - быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемости и возникновению ПД, а другого - медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и к окончанию возбуждения. При крутом нарастании стимула Na-активация успевает достичь значительной величины прежде, чем развивается Na-инактивация. В случае медленного нарастания силы тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога и снижению амплитуды ПД. Все агенты, усиливающие или ускоряющие инактивацию, увеличивают скорость аккомодации.
Аккомодация развивается не только при раздражении возбудимых тканей электрическим током, но и в случае применения механических, термических и прочих стимулов. Так, быстрый удар палочкой по нерву вызывает его возбуждение, при медленном же надавливании на нерв той же палочкой возбуждения не возникает. Изолированное нервное волокно можно возбудить быстрым охлаждением, а медленным - нельзя. Лягушка выпрыгнет, если ее бросить в воду с температурой 40 градусов, но если ту же лягушку поместить в холодную воду, и медленно нагревать ее, то животное сварится, но не будет реагировать прыжком на подъем температуры.
В лаборатории показателем скорости аккомодации является та наименьшая крутизна нарастания тока, при которой стимул еще сохраняет способность вызывать ПД. Эту минимальную крутизну называют критическим наклоном. Его выражают или в абсолютных единицах (мА/сек), или в относительных (как отношение пороговой силы того постепенно нарастающего тока, который еще способен вызывать возбуждение, к реобазе прямоугольного толчка тока).
 |
Рисунок 4. Кривая силы-времени Гоорвега-Вейса. Обозначения: Х – хронаксия, ПВ - полезное время, Р - реобаза, 2р - сила в две реобазы
Закон "все или ничего". При изучении зависимости эффектов раздражения от силы приложенного стимула был установлен т. н. закон "все или ничего".
Согласно этому закону, под пороговые раздражения не вызывают возбуждения ("ничего"), при пороговых же стимулах возбуждение сразу приобретает максимальную величину ("все"), и уже не возрастает при дальнейшем усилении раздражителя.
Эта закономерность первоначально была открыта Боудичем при исследовании сердца, а в дальнейшем подтверждена и на других возбудимых тканях. Долгое время закон "все или ничего" неправильно интерпретировался как общий принцип реагирования возбудимых тканей. Предполагали, что "ничего" означает полное отсутствие ответа на под пороговый стимул, а "все" рассматривалось как проявление полного исчерпания возбудимым субстратом его потенциальных возможностей. Дальнейшие исследования, в особенности микроэлектродные, показали, что эта точка зрения не соответствует действительности. Выяснилось, что при под пороговых силах возникает местное не распространяющееся возбуждение (локальный ответ). Вместе с тем оказалось, что "все" также не характеризует того максимума, которого может достигнуть ПД. В живой клетке существуют процессы, активно приостанавливающие деполяризацию мембраны. Если каким-либо воздействием на нервное волокно, например, наркотиками, ядами, ослабить входящий Na-ток, обеспечивающий генерацию ПД, то он перестает подчиняться правилу "все или ничего" - его амплитуда начинает градуально зависеть от силы стимула. Поэтому "все или ничего" рассматривается сейчас не как всеобщий закон реагирования возбудимого субстрата на раздражитель, а лишь как правило, характеризующее особенности возникновения ПД в данных конкретных условиях.
Понятие о возбудимости. Изменения возбудимости при возбуждении. Параметры возбудимости.
Возбудимостью называется способность нервной или мышечной клетки отвечать на раздражение генерацией ПД. Основным мерилом возбудимости обычно служит реобаза. Чем она ниже, тем выше возбудимость, и наоборот. Связано это с тем, что, как мы уже говорили ранее, главным условием возникновения возбуждения является достижение МП критического уровня деполяризации (Ео <= Ек). Поэтому мерилом возбудимости является разница между этими величинами (Ео - Ек). Чем меньше эта разница, тем меньшую силу надо приложить к клетке, чтобы сдвинуть мембранный потенциал до критического уровня, и, следовательно, тем больше возбудимость клетки.
Еще Пфлюгер показал, что возбудимость - величина непостоянная. Катод повышает возбудимость, анод ее понижает. Напомним, что эти изменения возбудимости под электродами носят название электротонических. Русский ученый Вериго показал, что при длительном действии постоянного тока на ткань, или при действии сильных раздражителей эти электротонические изменения возбудимости извращаются - под катодом начальное повышение возбудимости сменяется ее понижением (развивается т. н. катодическая депрессия), а под анодом сниженная возбудимость постепенно возрастает. Причина этих изменений возбудимости на полюсах постоянного тока связана с тем, что величина Ек меняется при длительном действии раздражителя. Под катодом (и при возбуждении) Ек постепенно удаляется от МП, снижается, так что наступает момент, когда разница Е0-Ек становиться больше исходной. Это приводит к падению возбудимости ткани. Напротив, под анодом Ек имеет тенденцию к возрастанию, постепенно приближаясь к Ео. Возбудимость при этом растет, так как уменьшается исходная разница между Ео и Ек.
Причиной изменения критического уровня деполяризации под катодом является инактивация натриевой проницаемости, обусловленная длительной деполяризацией мембраны. Вместе с этим значительно повышается проницаемость для К. Все это приводит к тому, что мембрана клетки утрачивает способность отвечать на действие раздражающих стимулов. Такие же изменения мембраны лежат и в основе рассмотренного уже явления аккомодации. Под анодом же при действии тока явления инактивации снижаются.
Изменения возбудимости при возбуждении. Возникновение в нервном или мышечном волокне ПД сопровождается многофазными изменениями возбудимости. Для их изучения нерв или мышцу подвергают действию двух коротких электрических стимулов, следующих друг за другом с определенным интервалом. Первый называется раздражающим, второй - тестирующим. Регистрация возникающих в ответ на эти раздражения ПД позволила установить важные факты.
 |
Рисунок 5. Изменения возбудимости при возбуждении.
Обозначения: 1- повышение возбудимости по время локального ответа; 2 – абсолютная рефрактерность; 3- относительная рефрактерность; 4- супернормальная возбудимость во время следовой деполяризации; 5 – субнормальная возбудимость во время следовой гиперполяризации.
Во время локального ответа возбудимость повышена, так как мембрана деполяризована и разность между Е0 и Ек падает. Периоду же возникновения и развития пика потенциала действия соответствует полное исчезновение возбудимости, получившее название абсолютной рефрактерности (невпечатлительности). В это время тестирующий стимул не способен вызвать новый ПД, как бы сильно ни было это раздражение. Длительность абсолютной рефрактерности примерно совпадает с длительностью восходящей ветви ПД. В быстро проводящих нервных волокнах она составляет 0,4-0,7 мсек. В волокнах мышцы сердца - 250-300 мсек. Вслед за абсолютной рефрактерностью начинается фаза относительной рефрактерности, которая длится 4-8 мсек. Она совпадает с фазой реполяризации ПД. В это время возбудимость постепенно возвращается к первоначальному уровню. В этот период нервное волокно способно ответить на сильное раздражение, но амплитуда ПД будет резко снижена.
Согласно ионной теории Ходжкина-Хаксли, абсолютная рефрактерность обусловлена вначале наличием максимальной натриевой проницаемости, когда новый стимул не может что-то изменить или добавить, а затем развитием натриевой инактивации, закрывающей Na-каналы. Вслед за этим происходит снижение натриевой инактивации, в результате чего постепенно восстанавливается способность волокна генерировать ПД. Это - состояние относительной рефрактерности.
Относительная рефрактерная фаза сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости , совпадающей по времени с периодом следовой деполяризации. В это время разность между Ео и Ек ниже исходной. В двигательных нервных волокнах теплокровных животных длительность супернормальной фазы составляет 12-30 мсек.
Период повышенной возбудимости сменяется субнормальной фазой, которая совпадает со следовой гиперполяризацией. В это время разница между мембранным потенциалом (Ео) и критическим уровнем деполяризации (Ек) увеличивается. Длительность этой фазы составляет несколько десятков или сотен мсек.
Лабильность. Мы рассмотрели основные механизмы возникновения и распространения в нервных и мышечных волокнах одиночной волны возбуждения. Однако в естественных условиях существования организма по нервным волокнам проходят не одиночные, а ритмические залпы потенциалов действия. В чувствительных нервных окончаниях, расположенных в любых тканях, возникают и распространяются по отходящим от них афферентным нервным волокнам ритмические разряды импульсов даже при очень кратковременном раздражении. Равным образом из ЦНС по эфферентным нервам идет поток импульсов на периферию к исполнительным органам. Если исполнительным органом являются скелетные мышцы, то в них возникают вспышки возбуждений в ритме поступающих по нерву импульсов.
Частота разрядов импульсов в возбудимых тканях может варьировать в широких пределах в зависимости от силы приложенного раздражения, свойств и состояния ткани и от скорости протекания отдельных актов возбуждения в ритмическом ряду. Для характеристики этой скорости и было сформулировано понятие лабильность. Под лабильностью, или функциональной подвижностью он понимал большую или меньшую скорость протекания тех элементарных реакций, которыми сопровождается возбуждение. Мерой лабильности является наибольшее число потенциалов действия, которое возбудимый субстрат способен воспроизвести в единицу времени в соответствии с частотой подаваемого раздражения.
Первоначально предполагали, что минимальный интервал между импульсами в ритмическом ряду должен соответствовать длительности абсолютного рефрактерного периода. Точные исследования, однако, показали, что при частоте следования стимулов с таким интервалом возникают только два импульса, а третий выпадает вследствие развивающейся депрессии. Поэтому интервал между импульсами должен быть несколько больше абсолютного рефрактерного периода. В двигательных нервных клетках теплокровных животных рефрактерный период составляет около 0,4 мсек, и потенциальный максимальный ритм должен бы быть равным 2500/сек, но на самом деле он равен около 1000/сек. Следует подчеркнуть, что эта частота значительно превышает частоту импульсов, проходящих по этим волокнам в физиологических условиях. Последняя составляет около 100/сек.
Дело в том, что обычно в естественных условиях ткань работает с так называемым оптимальным ритмом. Для пропускания импульсов с таким ритмом не требуется большой силы раздражения. Исследования показали, что частота раздражения и реобаза тока, способного вызывать нервные импульсы с такой частотой, находятся в своеобразной зависимости: реобаза вначале падает по мере роста частоты импульсов, затем снова нарастает. Оптимум находится у нервов в пределах от 75 до 150 имп/сек, для мышц - 20-50 имп/сек. Такой ритм, в отличие от других, очень стойко и длительно может воспроизводиться возбудимыми образованиями.
Таким образом, мы можем теперь назвать все основные параметры возбудимости тканей, характеризующие ее свойства: реобаза, полезное время (хронаксия), критический наклон, лабильность. Все они, кроме последнего, находятся с возбудимостью в обратно пропорциональных отношениях.
Понятие о "парабиозе". Лабильность - величина непостоянная. Она может меняться в зависимости от состояния нерва или мышцы, в зависимости от силы и длительности падающих на них раздражений, от степени утомления и т. п. Впервые изменение лабильности нерва при действии на него сначала химическими, а затем и электрическими раздражителями, изучил. Он обнаружил закономерное снижение лабильности альтерированного химическим агентом (аммиаком) участка нерва, назвал это явление "парабиозом" и изучил его закономерности. Парабиоз - это обратимое состояние, которое, однако, при углублении действия вызывающего его агента может перейти в необратимое.
Введенский рассматривал парабиоз как особое состояние стойкого не колеблющегося возбуждения, как бы застывшего в одном участке нервного волокна. Действительно, парабиотический участок заряжен отрицательно. Такое явление Введенский считал прообразом перехода возбуждения в торможение в нервных центрах. По его мнению, парабиоз является результатом перевозбуждения нервной клетки слишком сильным или слишком частым раздражением.
Развитие парабиоза протекает в три стадии: уравнительную, парадоксальную и тормозную. Вначале за счет снижения аккомодации отдельные импульсы тока малой частоту при условии их достаточной силы дают уже не 1 импульс, а 2,3 или даже 4. Одновременно порог возбудимости растет, а максимальный ритм возбуждения прогрессивно снижается. В результате на импульсы как малой, так и большой частоты нерв начинает отвечать одной и той же частотой разрядов, наиболее близкой к оптимальному для этого нерва ритму. Это и есть уравнительная фаза парабиоза. На следующем этапе развития процесса в области пороговых интенсивностей раздражения еще сохраняется воспроизведение ритма, близкого к оптимальному, а на частые импульсы ткань или вообще не отвечает, или отвечает очень редкими волнами возбуждения. Это - парадоксальная фаза.
Затем способность волокна к ритмической волновой деятельности падает, падает и амплитуда ПД, увеличивается его длительность., Любое внешнее воздействие подкрепляет состояние торможения нервного волокна и одновременно затормаживается само. Это - последняя, тормозная фаза парабиоза.
В настоящее время описанный феномен объясняется с позиций мембранной теории нарушением механизма повышения натриевой проницаемости и появлением затяжной натриевой инактивации. В результате этого Na-каналы остаются закрытыми, он накапливается в клетке и наружная поверхность мембраны длительное время сохраняет отрицательный заряд. Это препятствует новому раздражению за счет удлинения рефрактерного периода. При набегании на участок парабиоза часто следующих друг за другом ПД, инактивация натриевой проницаемости, вызванная альтерирующим агентом, суммируется с инактивацией, сопровождающей нервный импульс. В результате возбудимость снижается настолько, что проведение следующего импульса полностью блокируется.
Обмен веществ и энергии при возбуждении. При возникновении и проведении возбуждения в нервных клетках и мышечных волокнах происходит усиление обмена веществ. Это проявляется как в ряде биохимических изменений, происходящих в мембране и протоплазме клеток, так и в усилении их теплопродукции. Установлено, что при возбуждении происходят: усиление распада в клетках богатых энергией соединений - АТФ и креатинфосфата (КФ), усиление процессов распада и синтеза углеводов, белков и липидов, усиление окислительных процессов, приводящих в сочетании с гликолизом к резинтезу АТФ и КФ, синтез и разрушение ацетилхолина и норадреналина, других медиаторов, усиление синтеза РНК и белков. Все эти процессы более всего выражены в период восстановления состояния мембраны после ПД.
В нервах и мышцах каждая волна возбуждения сопровождается выделением двух порций тепла, из которых первая называется начальным, а вторая - запаздывающим теплом. Начальное теплообразование происходит в момент возбуждения и составляет незначительную часть всей теплопродукции (2-10%) при возбуждении. Предполагают, что это тепло связано с теми физико-химическими процессами, которые развиваются в момент генерации ПД. Запаздывающее теплообразование происходит в течение более продолжительного времени, и длится многие минуты. Оно связано с теми химическими процессами, которые происходят в ткани вслед за волной возбуждения, и, по образному выражению Ухтомского, составляют "метаболический хвост кометы возбуждения".
Проведение возбуждения. Классификация нервных волокон.
Как только в какой-либо точке нервного или мышечного волокна возникает ПД и этот участок приобретает отрицательный заряд, между возбужденными и соседними покоящимися участками волокна возникает электрический ток. В данном случае возбужденный участок мембраны действует на соседние участки как катод постоянного тока, вызывая их деполяризацию и генерируя локальный ответ. Если величина локального ответа превысит Ек мембраны, возникает ПД. В результате наружная поверхность мембраны заряжается отрицательно на новом участке. Таким способом волна возбуждения распространяется вдоль всего волокна со скоростью около 0,5-3 м/сек.
Законы проведения возбуждения по нервам.
1. Закон физиологической непрерывности. Перерезка, перевязка, а также любое другое воздействие, нарушающее целость мембраны (физиологическую, а не только анатомическую), создают непроводимость. То же возникает при тепловых и химических воздействиях.
2. Закон двустороннего проведения. При нанесении раздражения на нервное волокно возбуждение распространяется по нему в обеих направлениях (по поверхности мембраны - во все стороны) с одинаковой скоростью. Это доказывается опытом Бабухина и подобными ему.
3. Закон изолированного проведения. В нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т. е. не переходят с одного волокна на другое. Это очень важно, так как обеспечивает точную адресовку импульса. Связано это с тем, что электрическое сопротивление миэлиновых и швановской оболочек, а также межклеточной жидкости значительно больше, чем сопротивление мембраны нервных волокон.
Механизмы и скорость проведения возбуждения в безмякотных и мякотных нервных волокнах различны. В безмякотных возбуждение распространяется непрерывно вдоль всей мембраны от одного возбужденного участка к другому, расположенному рядом, так, как мы уже обсуждали.
В миэлиновых волокнах возбуждение распространяется только скачкообразно, перепрыгивая через участки, покрытые миэлиновой оболочкой (сальтаторно). Потенциалы действия в этих волокнах возникают только в перехватах Ранвье. В состоянии покоя наружная поверхность возбудимой мембраны всех перехватов Ранвье заряжена положительно. В момент возбуждения поверхность первого перехвата становится отрицательно заряженной по отношению к соседнему второму перехвату. Это приводит к возникновению местного (локального) электротока, который идет через окружающую волокно межклеточную жидкость, мембрану и аксоплазму от перехвата 2 к 1. Выходящий через перехват 2 ток возбуждает его, вызывая перезарядку мембраны. Теперь этот участок может возбудить следующий и т. д.
Перепрыгивание ПД через межперехватный участок возможно потому, что амплитуда ПД в 5-6 раз больше порога, необходимого для возбуждения не только следующего, но и 3-5 перехватов. Поэтому микроповреждения волокна в межперехватных участках или не одном перехвате не прекращают работы нервного волокна до тех пор, пока регенеративный явления не захватят 3 и более лежащих рядом швановские клетки.
Время, необходимое для передачи возбуждения от одного перехвата к другому, одинаково у волокон различного диаметра, и составляют 0,07 мсек. Однако поскольку длина межперехватных участков различна и пропорциональна диаметру волокна, в миэлинизированных нервах скорость проведения нервных импульсов прямо пропорциональная их диаметру.
Классификация нервных волокон. Электрический ответ целого нерва является алгебраической суммой ПД отдельных его нервных волокон. Поэтому, с одной стороны, амплитуда электрических импульсов целого нерва зависит от силы раздражителя (с ее ростом вовлекаются все новые волокна), а во-вторых, суммарный потенциал действия нерва может быть расчленен на несколько отдельных колебаний, причиной чего является неодинаковая скорость проведения импульсов по разным волокнам, составляющим целый нерв.
В настоящее время нервные волокна по скорости проведения возбуждения, длительности различных фаз ПД и строении принято разделять на три основных типа.
Волокна типа А делятся на подгруппы (альфа, бета, гамма, дельта). Они покрыты миэлиновой оболочкой. Скорость проведения у них самая большая - 70-120 м/сек. Это - двигательные волокна, от моторных нейронов спинного мозга. Остальные волокна типа А - чувствительные.
Волокна типа В - миэлиновые, преимущественно преганглионарные. Скорость проведения - 3-18 м/сек.
Волокна типа С - безмякотные, очень малого диаметра (2 мк). Скорость проведения не больше 3 м/сек. Это постганглионарные волокна симпатической нервной системы чаще всего.
ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
Физиология центральной нервной системы (ЦНС) является наиболее сложной, но в то же время и наиболее ответственной главой физиологии, так как у высших млекопитающих и человека нервная система осуществляет функцию связи частей организма между собой, их соотношение и интеграцию, с одной стороны, и функцию связи агентов внешней среды с определенными проявлениями деятельности организма – с другой. Успехи современной науки в расшифровке всей сложности нервной системы основываются на признании единого механизма ее функционирования – рефлекса.
Рефлексы – это все акты организма, которые наступают в ответ на раздражение рецепторов и осуществляются при участии ЦНС. Впервые представление о рефлексе было сформулировано Декартом, развито Сеченовым, Павловым, Анохиным. Каждый рефлекс осуществляется благодаря деятельности определенных структурных образований нервной системы. Однако, прежде чем разбирать особенности строения рефлекторной дуги, мы должны познакомиться со строением и свойствами функциональной единицы нервной системы – нервной клеткой, нейроном.
Строение и функции нейрона. Еще в прошлом веке Рамон-и-Кахал обнаружил, что любая нервная клетка имеет тело (сому), и отростки, которые по особенностям строения и функции разделяются на дендриты и аксон. Аксон у нейрона всегда только один, а дендритов может быть очень много. В 1907 г. Шеррингтон описал способы взаимодействия нейронов между собой и ввел понятие синапса. После того, как Рамон-и-Кахал показал, что дендриты воспринимают раздражение, а аксон посылает импульсы, сформировалось представление о том, что основной функцией нейрона является восприятие. переработка и посылка информации на другую нервную клетку или на рабочий орган (мышцу, железу).
Структура и размеры нейронов сильно варьируют. Диаметр их может колебаться от 4 микрон (клетки-зерна мозжечка) до 130 микрон (гигантские пирамидные клетки Беца). Форма нейронов также разнообразна.
Нервные клетки имеют очень большие ядра, связанные функционально и структурно с мембраной клетки. Некоторые нейроны – многоядерны, например, нейросекреторные клетки гипоталамуса или при регенерации нейронов. В раннем постнатальном периоде нейроны могут делиться.
В цитоплазме нейрона обнаруживают т. н. вещество Ниссля – это гранулы эндоплазматического ретикулюма, богатые рибосомами. Его много вокруг ядра. Под мембраной клетки эндоплазматический ретикулюм образует цистерны, ответственные за поддержание концентрации К+ под мембраной. Рибосомы – это колоссальные фабрики белка. Весь белок нервной клетки обновляется за 3 дня, а при повышении функции нейрона – еще быстрее. Агранулярный ретикулюм представлен аппаратом Гольджи, который как бы окружает всю нервную клетку изнутри. На нем имеются лизосомы, содержащие различные ферменты, пузырьки с гранулами медиатора. Аппарат Гольджи принимает активное участие в формировании пузырьков с медиатором.
И в теле клетки, и в отростках много митохондрий, энергетических станций клетки. Это подвижные органеллы, способные за счет актомиозина передвигаться туда, где в клетке необходима энергия для ее деятельности.
Нормальное регулярное сокращение сердца сопровождается циклическими изменениями мембранного потенциала миокардиальных клеток. Применение внутриклеточных микроэлектродов позволяет прямо определить изменения мембранного потенциала; как было показано, при распространении возбуждения по сердцу они варьируют по амплитуде и развитию во времени . Микроэлектродная техника включает введение тонкого стеклянного капилляра в клетку, что позволяет в течение длительного времени непосредственно регистрировать мембранный потенциал, т. е. разность потенциалов между внутриклеточной средой и внеклеточной жидкостью. С помощью микроманипулятора микроэлектрод продвигается до тех пор, пока его кончик (обычно менее 1 мкм в диаметре) не пройдет через клеточную мембрану. В тот момент, когда кончик микроэлектрода проходит с внешней поверхности клетки внутрь, внезапно регистрируется отрицательная разность потенциалов с учетом отношения к нейтральному электроду, помещенному во внеклеточную жидкость (рис. 3.1). Микроэлектродные исследования обычно проводятся на изолированных пучках миокардиальных волокон, помещенных в камеру и перфузируемых теплым оксигенированным раствором. Потенциалы действия в таких препаратах могут быть вызваны посредством пропускания коротких импульсов тока через электроды, находящиеся на поверхности волокна (см. рис. 3.1). Однако в отсутствие вызванных потенциалов действия внутренняя часть большинства миокардиальных клеток (за исключением клеток синусового и атриовентрикулярного узлов, которые будут отдельно обсуждаться ниже) остается отрицательно заряженной (80- 90 мВ) по отношению к внеклеточному пространству . Этот трансмембранный потенциал, наблюдаемый при отсутствии электрического возбуждения, называется потенциалом покоя.
Рис. 3.1. Потенциал покоя и потенциал действия в сердечных клетках. Вверху - схематическое изображение клетки (кружок) и двух микроэлектродов. Фрагмент А - оба микроэлектрода находятся во внеклеточном пространстве и разности потенциалов между ними нет; Б - кончик одного микроэлектрода введен в клетку, что позволяет регистрировать разность потенциалов между внутренним пространством клетки и внеклеточной средой; в данном случае это потенциал покоя, равный -90 мВ; В - фаза быстрой деполяризации потенциала действия, возникающая при возбуждении клетки", на пике потенциала действия клетка становится на + 30 мВ более положительной по отношению к внешней среде; Г - конечная фаза реполяризации, во время которой мембранный потенциал возвращается к уровню покоя (фрагмент Д) .
Как и во многих других возбудимых клетках , потенциал покоя сердечных клеток определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия относительно клеточной мембраны, тогда как быстрое изменение потенциала во время начала возбуждения зависит от градиента концентрации ионов натрия . Градиенты концентрации имеют противоположную направленность. Внутриклеточная концентрация ионов калия, [К+] в примерно в 30 раз выше внеклеточной, [К+]о. Например, в волокнах Пуркинье [К+]i и [К+]о обычно составляют 140-150 мМ и 4-5 мМ соответственно . Внутриклеточная концентрация ионов натрия, i, напротив, значительно ниже внеклеточной, о; в волокнах Пуркинье i и о равны 10 мМ и 150 мМ соответственно . Во время существования каждого потенциала действия небольшое количество ионов натрия входит в клетку, а некоторое количество ионов калия выходит из нее. Как мы увидим далее, нормальная электрическая активность клеток зависит от существования столь высоких градиентов для Na+ и К+, а длительное поддержание таких градиентов - от механизма активного ионного транспорта, называемого натриевым насосом. Этот механизм хорошо изучен; известно, что насос является Мg2+-АТФазой (аденозинтрифосфатазой), находящейся в клеточной мембране, и что он использует энергию АТФ (аденозинтрифосфата) для перемещения ионов натрия за пределы клетки, а ионов калия - внутрь клетки. Такое движение ионов, безусловно, сопряжено с дополнительным расходом энергии, поскольку оно естественно затруднено как для калия, так и для натрия (т. е. против соответствующих градиентов их электрохимического потенциала). Однако потоки ионов, перемещающиеся (под действием насоса) в двух направлениях, по-видимому, не равновелики: на каждый перемещенный внутрь клетки ион калия приходится более одного иона натрия, выведенного за ее пределы . Таким образом, натриевый насос обеспечивает четкое движение положительного заряда наружу или, иначе говоря, определенную направленность генерируемого тока через клеточную мембрану. Возникающий ток обычно очень мал, но при определенных условиях он может внести существенный вклад в изменение мембранного потенциала, что описано ниже.
Потенциал покоя
Рис. 3.2. Распределение ионов, способствующее потенциалу покоя.
Показаны типичные концентрации ионов внутри и вне клетки. В покое клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К+, но слабо проницаема для ионов Na+ и непроницаема для крупных анионов (А–). Проницаемость для Сl– также относительно низкая, и распределение ионов Сl– скорее всего определяется средней величиной мембранного потенциала.
Как уже упоминалось, величина потенциала покоя определяется главным образом градиентом концентрации ионов калия. Это связано с тем, что в покое клеточная мембрана относительно проницаема для ионов калия, но сравнительно непроницаема для других ионов, таких как натрий, кальций или хлор. Ввиду существования градиента концентрации ионы калия стремятся диффундировать из клетки через мембрану. Электронейтральность не может поддерживаться за счёт движения клеточных анионов наружу, так как эти анионы в основном являются большими поливалентными ионами (часто связанными с клеточными белками), для которых клеточная мембрана непроницаема . Поэтому направленное кнаружи движение положительно заряженных ионов калия приводит к возникновению отрицательного заряда внутри клетки (рис. 3.2). Если бы клеточная мембрана была проницаемой только для ионов калия, то последние продолжали бы диффундировать из клетки до тех пор, пока внутри нее не накопился бы достаточный отрицательный заряд и электростатическое притяжение не стало бы препятствовать дальнейшему четкому движению калия кнаружи. В этом случае направленная внутрь сила электрического поля будет точно равной противоположно направленной (кнаружи) силе, связанной с градиентом концентрации, и ионы калия перестанут четко перемещаться кнаружи: алгебраическая сумма этих двух сил, называемая градиентом электрохимического потенциала, будет равной нулю. Внутриклеточный потенциал, при котором суммарный пассивный поток ионов калия равен нулю, называется потенциалом равновесия ионов калия (ЕK); его величина определяется из уравнения Нернста :
Где R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, F - константа Фарадея, [К+]о и [ К+]i - внеклеточная и внутриклеточная концентрации соответственно (точнее.говоря, вместо отношения концентраций используется отношение ионной активности, но эти два отношения практически одинаковы, если коэффициенты внутренней и внешней активности ионов калия близки по значению). Например, величина ЕK для волокна Пуркинье при 36 °С, когда о равна 4 мМ, а [К+]i - 150 мМ, составляет
ЕK= RT/F ln(4/150) = -96,6 мВ.
Из уравнения Нернста видно, что ЕK изменится на 61,4 мВ при 10-кратном изменении либо [К+]о, либо [К+]i,. Если бы клеточная мембрана была проницаемой исключительно для К+, клетка вела бы себя точно так же, как калиевый электрод, и ее внутриклеточный потенциал менялся бы с изменением [К+]i и [К+]о в точном соответствии с уравнением Нернста. Действительно, мембранный потенциал волокон Пуркинье в покое, а также миокардиальных волокон предсердий и желудочков логически хорошо аппроксимируется уравнением Нернста, когда [К+]о выше 10 мМ. Однако при более низких величинах [К+]о потенциал покоя этих клеток менее отрицательный, чем калиевый потенциал равновесия, и данное расхождение увеличивается по мере уменьшения [К+]о . Например, потенциал покоя волокон Пуркинье в растворе, содержащем 4 мМ К+, на несколько милливольт менее отрицательный, чем Ек, оцененный выше. Это объясняется тем, что клеточная мембрана не является проницаемой исключительно для K+, как предполагалось выше; через нее проникают также (хотя и значительно хуже) ионы Na+. Поскольку и электрический градиент, и градиент концентрации благоприятствуют движению Na4" внутрь, через клеточную мембрану протекает небольшой входящий деполяризующий поток ионов. Деполяризация, вызываемая этим потоком Na+, пренебрежимо мала при высокой [К+]о и, следовательно, высокой проводимости мембраны для калия, но она становится значительной при низкой [К+]о, так как в этих условиях протекающие через мембрану потоки К+ также существенно уменьшаются.
Деполяризующее влияние Na+ удобнее всего обозначать терминами уравнения «постоянного поля» Гольдмана или Ходжкина и Катца для потенциала покоя (Vr) клетки, проницаемой как для К+, так и для Na+
Где PNA/PK - отношение коэффициентов проницаемости клеточной мембраны для натрия и для калия. Данное уравнение, как было показано, позволяет достаточно точно рассчитать потенциалы покоя в волокнах скелетных мышц и в волокнах Пуркинье (миокард) в более широком диапазоне величин [К+]о, чем при расчетах по формуле Нернста, если PNA/PK постоянно и составляет приблизительно 1/100. Так как [К+]i в норме значительно больше, чем i, в данном отношении коэффициентов проницаемости второй член в знаменателе достаточно мал и им можно пренебречь, что позвояет переписать уравнение следующим образом:
Или, если принять о равным 150 мМ, то
Из этого уравнения сразу видно, что потенциал покоя (Vr) близок к калиевому потенциалу равновесия (ЕK) только при [К+]о значительно большем, чем 1,5 мМ; при низких значениях [К+]о второй член в числителе начинает играть важную роль. Например, при [К+]0, равном 1,5 мМ, Vr будет менее отрицательным, чем ЕK, на 61,4 log (3/1,5) = 61,4 log 2, или приблизительно на 18 мВ. Заметьте, что до сих пор обсуждение велось только в терминах относительной проницаемости мембраны для ионов натрия и калия без рассмотрения абсолютных величин коэффициентов проницаемости. Как следует из уравнения Гольдмана, а также Ходжкина и Катца, потенциал покоя чувствителен к отношение проницаемости ионов, а не к самим величинам проницаемости. Например, даже если проницаемость для ионов Na+ была бы очень значительной, потенциал покоя определялся бы главным образом градиентом концентрации ионов К+ до тех пор, пока проницаемость мембраны для К+ оставалась бы гораздо выше, чем для Na+. Каналы мембраны, через которые движутся ионы К+, создавая калиевые потоки, определяющие мембранный потенциал покоя, известны как направленные кнутри К-каналы. Объем калиевых потоков, проходящих по этим каналам, находится в четкой зависимости от величины и направления электрохимической движущей силы для K+, равной (Vm-ЕK), т. е. разности мембранного потенциала (Vm) и калиевого потенциала равновесия (ЕK). Эти каналы называют «каналами, направленными внутрь», так как они позволяют прохождение направленных внутрь больших потоков К+ при высоких и отрицательных значениях Vm - ЕK, но обеспечивают лишь очень небольшие потоки K+, направленные кнаружи, когда движущая сила велика и положительна .
Изменения уровня потенциала покоя являются основной причиной аритмии и нарушений проведения, и мы уже могли видеть, как подобные изменения возникают при тех или иных патологических состояниях. Например, заболевание сердца может привести к изменениям внутриклеточной и (или) внеклеточной концентрации ионов К+, что в свою очередь вызовет изменение мембранного потенциала покоя. В других случаях характеристики клеточной мембраны могут изменяться таким образом, что относительная проницаемость мембраны для Na+ или других ионов (таких как Са2+, возрастет, в результате чего потенциал покоя также изменится. Ниже мы подробнее обсудим эти возможные варианты.
Фазы деполяризации потенциала действия
Электрический импульс, распространяющийся по сердцу и запускающий каждый цикл сокращений, называется потенциалом действия; он представляет собой волну кратковременной деполяризации, во время которой внутриклеточный потенциал поочередно в каждой клетке становится на короткое время положительным, а затем возвращается к своему исходному отрицательному уровню. Изменения нормального сердечного потенциала действия имеют характерное развитие во времени, которое для удобства подразделено на следующие фазы : фаза 0 - начальная быстрая деполяризация мембраны; фаза 1 - быстрая, но неполная реполяризация; фаза 2 - «плато», или продолжительная деполяризация, характерная для потенциала действия сердечных клеток; фаза 3 - конечная быстрая реполяризация; фаза 4 - период диастолы.
При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na+ (по сравнению с К+), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (ENa)- ЕNа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na+ 150 и 10 мМ соответственно он составит:
Однако повышенная проницаемость для Na+ сохраняется лишь непродолжительное время, так что мембранный потенциал не достигает ENa и после окончания потенциала действия возвращается к уровню покоя.
Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m» в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h» в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na+ используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».
Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.
Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.
Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na+-канала (h), так и медленного Ca2+/Na+-канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na+-канала открываются и входящий поток ионов Na+ деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимость Na+. При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca2+ и Na+ поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca2+/Na+-каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий поток Na+ слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.
Рис. 3.4. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки.
Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .
Быстрая деполяризация в начале потенциала действия вызывается мощным входящим потоком ионов натрия, поступающих внутрь клетки (соответственно градиенту их электрохимического потенциала) через открытые натриевые каналы . Однако прежде всего натриевые каналы должны быть эффективно открыты, для чего требуется быстрая деполяризация достаточно большой площади мембраны до необходимого уровня, называемого пороговым потенциалом (рис. 3.4). В эксперименте этого можно достичь, пропуская через мембрану ток из внешнего источника и используя внеклеточный или внутриклеточный стимулирующий электрод. В естественных условиях той же цели служат локальные токи, протекающие через мембрану непосредственно перед распространяющимся потенциалом действия. При пороговом потенциале достаточное количество натриевых каналов оказывается открытым, что обеспечивает необходимую амплитуду входящего натриевого тока и, следовательно, дальнейшую деполяризацию мембраны; в свою очередь деполяризация вызывает открытие большего числа каналов, приводя к увеличению входящего потока ионов, так что процесс деполяризации становится регенеративным. Скорость регенеративной деполяризации (или нарастания потенциала действия) зависит от силы входящего натриевого тока, которая в свою очередь определяется такими факторами, как величина градиента электрохимического потенциала Na+ и количество доступных (или неинактивированных) натриевых каналов. В волокнах Пуркинье максимальная скорость деполяризации при развитии потенциала действия, обозначаемая как dV/dtmax или Vmax, достигает примерно 500 В/с, и если бы такая скорость поддерживалась в течение всей фазы деполяризации от -90 мВ до +30 мВ, то изменение потенциала на 120 мВ заняло бы около 0,25 мс. Максимальная скорость деполяризации волокон рабочего миокарда желудочков составляет примерно 200 В/с, а мышечных волокон предсердий-от 100 до 200 В/с . (Фаза деполяризации потенциала действия в клетках синусового и атриовентрикулярного узлов существенно отличается от только что описанной и будет обсуждаться отдельно; см. ниже.)
Потенциалы действия с такой высокой скоростью нарастания (их часто называют «быстрыми ответами») быстро распространяются по сердцу. Скорость распространения потенциала действия (как и Vmax) в клетках с одинаковой пропускной способностью мембраны и характеристиками осевого сопротивления определяется главным образом амплитудой направленного внутрь тока, протекающего во время фазы нарастания потенциала действия. Это связано с тем, что локальные токи, проходящие через клетки непосредственно перед потенциалом действия, имеют большую величину при более быстром нарастании потенциала, поэтому мембранный потенциал в этих клетках раньше достигает порогового уровня, чем в случае токов меньшей величины (см. рис. 3.4). Конечно, эти локальные токи протекают через клеточную мембрану и сразу после прохождения распространяющегося потенциала действия, но они уже неспособны возбудить мембрану ввиду ее рефрактерности.
Рис. 3.5. Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации.
Амплитуда и возрастание скорости ответов, вызванных во время реполяризации, зависят от уровня мембранного потенциала, на котором они возникают. Самые ранние ответы (а и б) возникают на столь низком уровне, что оказываются слишком слабыми и неспособными к распространению (градуальные или местные ответы). Ответ «в» представляет собой наиболее ранний из распространяющихся потенциалов действия, но его распространение происходит медленно ввиду незначительного возрастания скорости, а также низкой амплитуды. Ответ «г» появляется точно перед полной реполяризацией, скорость его усиления и амплитуда выше, чем при ответе «в», так как он возникает при более высоком мембранном потенциале; однако скорость его распространения становится ниже нормальной. Ответ «д» отмечается после полной реполяризации, поэтому его амплитуда и скорость деполяризации имеют нормальные значения; следовательно, он быстро распространяется. ПП - потенциал покоя.
Продолжительный рефрактерный период после возбуждения сердечных клеток обусловлен большой длительностью потенциала действия и вольтажной зависимостью механизма ворот натриевых каналов. За фазой нарастания потенциала действия следует период продолжительностью от сотни до нескольких сотен миллисекунд, в течение которого регенеративный ответ на повторный стимул отсутствует (рис. 3.5). Это так называемый абсолютный, или эффективный, рефрактерный период; обычно он охватывает плато (фаза 2) потенциала действия. Как описано выше, натриевые каналы инактивируются и остаются закрытыми во время такой поддерживающейся деполяризации. В ходе реполяризации потенциала действия (фаза 3) инактивация постепенно устраняется, так что доля каналов, способных снова активироваться, постоянно возрастает. Следовательно, с помощью стимула в начале реполяризации можно вызвать лишь небольшой входящий поток ионов натрия, однако по мере продолжения реполяризации потенциала действия такие потоки будут увеличиваться. Если некоторые из натриевых каналов остаются невозбудимыми, то вызванный входящий поток Na+ может привести к регенеративной деполяризации и, следовательно, к возникновению потенциала действия. Однако скорость деполяризации, а значит, и скорость распространения потенциалов действия значительно снижены (см. рис. 3.5) и нормализуются только после полной реполяризации . Время, в течение которого повторный стимул способен вызвать такие «градуальные» потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом. Вольтажная зависимость устранения инактивации изучалась Weidmann, установившим, что скорость повышения потенциала действия и возможный уровень, при котором этот потенциал вызывается, находятся в S-образной зависимости, известной также как кривая реактивности мембраны.
Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.
В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na+, поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na+ не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са2+ увеличивается при повышении концентрации [Са2+]0; снижение [Са2+]0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са2+]0 .
Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na+ снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.
Фазы реполяризации потенциала действия
Потенциалы действия, зарегистрированные в волокнах Пуркинье и в некоторых волокнах миокарда желудочков, имеют короткую, быструю фазу реполяризации (фаза 1), следующая непосредственно за фазой нарастания (см. рис. 3.1). Во время этой фазы мембранный потенциал временно возвращается почти к нулевому уровню, от которого начинается фаза плато потенциала действия, поэтому между этими двумя фазами на кривой иногда наблюдается четкий изгиб. Как было показано (в волокнах Пуркинье), быстрая реполяризация обусловлена транзиторным всплеском выходящего тока . Во время нарастания потенциала действия этот выходящий ток активируется при деполяризации до уровня положительного потенциала, после чего он инактивируется как вследствие зависимого от времени процесса, так и в результате реполяризации. Хотя раньше считалось, что этот выходящий ток переносится преимущественно ионами хлора, в настоящее время более вероятным представляется его перенос главным образом ионами калия и лишь отчасти - ионами хлора .
Во время фазы плато потенциала действия, которая может длиться сотни миллисекунд, скорость реполяризации мембраны значительно ниже, так как суммарная величина выходящего мембранного тока невелика; входящие токи, сохраняющиеся в результате неполной инактивации натриевых и кальциевых каналов, приблизительно сбалансированы направленными наружу мембранными токами . По крайней мере один из них, вероятнее всего, является калиевым током, проходящим через ворота каналов, проводимость которых зависит от времени и потенциала. Активация их проводимости (только медленная) отмечается на уровне плато мембранного потенциала. Небольшой вклад в выходящий (реполяризующий) мембранный ток при этом уровне потенциала вносит и направленное внутрь движение ионов хлора, а также активность Na-К-насоса, генерирующего суммарный выходящий ток Na+ . По мере того как суммарный трансмембранный ток на уровне потенциала плато (т. е. алгебраическая сумма всех компонентов входящего и выходящего токов) становится более выходящим, мембранный потенциал все быстрее смещается в отрицательном направлении и начинается конечная быстрая фаза реполяризации потенциала действия. Эта конечная реполяризация, как и начальная фаза быстрой деполяризации, является регенеративной, но в отличие от фазы нарастания она, вероятно, включает изменения проводимости, зависящие главным образом от потенциала, а не от времени, и, следовательно, отражает время, затрачиваемое выходящим ионным током на обеспечение необходимой проводимости мембраны .
Спонтанная диастолическая деполяризация и автоматизм
Мембранный потенциал нормальных клеток рабочего миокарда предсердий и желудочков остается постоянным на уровне потенциала покоя в течение всей диастолы (см. рис. 3.1): если эти клетки не возбуждаются распространяющимся импульсом, то потенциал покоя в них поддерживается сколь угодно долго. В сердечных волокнах другого типа, например в специализированных волокнах предсердий или в волокнах Пуркинье проводящей системы желудочков, мембранный потенциал во время диастолы непостоянен и постепенно изменяется в сторону деполяризации. Если такое волокно не будет возбуждено распространяющимся импульсом раньше, чем мембранный потенциал достигнет порогового уровня, то в нем может возникнуть спонтанный потенциал действия (рис. 3.6). Изменение мембранного потенциала во время диастолы называется спонтанной диастолической деполяризацией, или фазой 4 деполяризации. Обусловливая возникновение потенциалов действия, этот механизм служит основой автоматизма. Автоматизм является нормальным свойством клеток синусового узла, мышечных волокон митрального и трикуспидального клапанов, некоторых участков предсердий, дистальной части АВ-узла, а также тканей системы Гиса - Пуркинье. В здоровом сердце частота возникновения импульсов вследствие автоматизма клеток синусового узла достаточно высока, что позволяет распространяющимся импульсам возбуждать другие потенциально автоматические клетки, прежде чем они спонтанно деполяризуются до порогового уровня. При этом потенциальная автоматическая активность других клеток обычно подавляется, хотя при целом ряде физиологических и патологических состояний она может проявляться (обсуждается ниже).
Рис. 3.6. Спонтанная диастолическая деполяризация и автоматизм волокон Пуркинье у собаки.
А - спонтанное возбуждение волокна Пуркинье при максимальном диастолическом потенциале -85 мВ. Диастолическая деполяризация является следствием уменьшения во времени тока ins, или пейсмекерного тока (см. в тексте). Б - автоматическая активность, возникающая при снижении мембранного потенциала; регистрация в волокне Пуркинье, перфузируемом безнатриевым раствором, но аналогичная активность наблюдается и в нормальном, содержащем ионы ^Vв+ растворе Тироде. Фрагмент Б1: при деполяризации волокна (стрелка) от уровня потенциала покоя -60 до -45 мВ путем пропускания длительного импульса тока через микроэлектрод возникают три спонтанных потенциала действия. Фрагмент Б2: при большей амплитуде импульса мембранный потенциал снижается до -40 мВ, обусловливая поддерживающуюся ритмическую активность. Фрагмент Б3: усилившийся импульс тока снижает мембранный потенциал до -30 мВ, вследствие чего поддерживающаяся ритмическая активность возникает с большей частотой. Такая ритмическая активность, возникающая при менее негативных, чем -60 мВ, потенциалах, зависит, вероятно, от другого пейсмекерного тока, нежели активность, показания на фрагменте А.
Спонтанная диастолическая деполяризация является следствием постепенного изменения баланса между входящими и выходящими мембранными токами в пользу суммарного входящего (деполяризующего) тока. При исследовании пейсмекерного тока методом фиксации потенциала в волокнах Пуркинье и клетках узла была показана зависимость характеристик воротной системы как от потенциала, так и от времени. На основании данных первоначальных исследований уровня потенциала, при котором пейсмекерный ток реверсивно меняет свое направление, предполагалось, что выходящий пейсмекерный ток, переносимый ионами K+, постепенно отклоняется, позволяя тем самым направленному внутрь фоновому току деполяризовать клеточную мембрану . Однако, согласно интерпретации результатов более поздних экспериментов, нормальным пейсмекерным током является входящий ток, переносимый преимущественно ионами Na+, который с течением времени возрастает, вызывая таким образом постепенную диастолическую деполяризацию . Когда деполяризация достигает уровня порогового потенциала, возникает импульс, после чего пейсмекерная проводимость при деполяризации мембраны инактивируется и сможет реактивироваться лишь после реполяризации потенциала действия. Ясно, что частота спонтанных возбуждений определяется временем, за которое диастолическая деполяризация изменяет мембранный потенциал до порогового уровня; следовательно, изменения порогового потенциала или скорости диастолической деполяризации, возникающие, например, в волокнах Пуркинье под действием адреналина, могут повлиять на частоту автоматической активности.
Задержанная постдеполяризация и триггерная поддерживающаяся ритмическая активность
Наряду с автоматизмом существует и другой механизм, способный обеспечить ритмическую генерацию импульсов в нормальных сердечных клетках. Механизм инициации возбуждения зависит от задержанной постдеполяризации, поэтому ритмически возникающие с его помощью спонтанные импульсы называют триггерными потенциалами действия . Как отмечалось выше, автоматическая активность характеризуется спонтанной генерацией каждого импульса. Следовательно, если автоматическая клетка не возбуждается распространяющимся импульсом, она не остается в покое, а подвергается спонтанной диастолической деполяризации до тех пор, пока не возникнет потенциал действия. Это согласуется с использованием прилагательного «автоматический», смысл которого можно расшифровать как «обладающий способностью к самостоятельному движению». И наоборот, если обладающее триггерной активностью волокно не возбуждается распространяющимся импульсом, то оно остается молчащим. Поскольку триггерный импульс - это импульс, возникающий после (и в результате) другого импульса, триггерная активность не может иметь место до тех пор, пока волокно не будет возбуждено по крайней мере одним распространяющимся импульсом. Триггерная активность является одной из форм ритмической активности, при которой каждый импульс возникает в результате предшествующего импульса, за исключением, разумеется, первого (побуждающего) потенциала действия, который должен быть вызван стимулом.
Рис. 3.7. Постдеполяризация и триггерная активность в предсердном волокне коронарного синуса у собаки.
Фрагмент А: однократная стимуляция волокна вызывает развитие одного потенциала действия, за которым следует постгиперполяризация (жирная стрелка), а затем-задержанная постдеполяризация (светлая стрелка). Фрагмент Б: запись с другой клетки; первый потенциал действия (слева) вызывается внешним стимулом, но следующая за ним задержанная постдеполяризация (черная стрелка) достигает порогового потенциала и вызывает первый спонтанный потенциал действия, за которым следуют другие спонтанные потенциалы действия; спонтанные импульсы являются триггерными импульсами, поэтому они представляют так называемую триггерную активность.
Триггерные импульсы обусловлены задержанной постдеполяризацией, амплитуда которой достаточно велика для доведения мембранного потенциала до порогового уровня. Задержанная постдеполяризация - это транзиторная деполяризация, наблюдающаяся после окончания потенциала действия, но возникающая благодаря именно этому потенциалу. В норме задержанная постдеполяризация была зарегистрирована в предсердных клетках митрального клапана , в клетках коронарного синуса ив предсердных волокнах гребенчатых мышц . Как показывает рис. 3.7, задержанной постдеполяризации часто предшествует постгиперполяризация: следующий за потенциалом действия мембранный потенциал на короткое время становится более отрицательным, чем непосредственно перед началом потенциала действия. При затухании этой постгиперполяризации мембранный потенциал временно становится более положительным, чем непосредственно перед началом потенциала действия. Кратковременность изменений такой постдеполяризации четко отличает ее от нормальной спонтанной диастолической (пейсмекерной) деполяризации, при которой мембранный потенциал монотонно изменяется до тех пор, пока не возникнет следующий потенциал действия.
Задержанная постдеполяризация обычно бывает подпороговой, но в определенных условиях она может превысить пороговый потенциал; если это происходит, вследствие постдеполяризации возникает спонтанный потенциал действия. В упомянутых выше предсердных волокнах катехоламины увеличивают амплитуду постдеполяризации, в результате чего достигается уровень порогового потенциала . Амплитуда подпороговой постдеполяризации весьма чувствительна и к частоте возникновения по тенциала действия . Повышение частоты стимуляции увеличивает амплитуду постдеполяризации (рис. 3.8), и, наоборот, уменьшение ее частоты приводит к снижению амплитуды. Кроме того, если преждевременный потенциал действия при стимуляции возникает с постоянной частотой, то следующая за ним постдеполяризация имеет большую амплитуду, чем та, которая отмечается после регулярного потенциала действия. Более того, чем раньше во время основного цикла возникает преждевременный потенциал действия, тем больше амплитуда преждевременной постдеполяризации. При достаточно высокой частоте постоянной стимуляции или после достаточно раннего преждевременного стимула постдеполяризация может достигнуть порога и вызвать нестимулированные потенциалы действия. Первый спонтанный импульс отмечается после более короткого интервала по сравнению с длительностью основного цикла, так как постдеполяризация, вследствие которой он возник, начинается вскоре после реполяризации предшествующего потенциала действия. Следовательно, спонтанный импульс вызывает еще одну постдеполяризацию, которая также достигает порогового уровня, обусловливая появление второго спонтанного импульса (см. рис. 3.8). Этот последний импульс вызывает следующую постдеполяризацию, которая инициирует третий спонтанный импульс, и так на протяжении всего времени триггерной активности. Триггерная активность может спонтанно прекратиться, и, если это происходит, за последним нестимулированным импульсом обычно следует одна или несколько подпороговых постдеполяризаций.
Рис. 3.8. Индукция триггерной активности в предсердном волокне митрального клапана у обезьяны.
На каждом фрагменте показаны лишь нижняя часть потенциалов действия. Горизонтальные линии на фрагментах I и II проведены на уровне-30 мВ, а на фрагменте III - на уровне - 20 мВ. фрагмент IA и 1Б: триггерная активность, возникшая в результате сокращения длительности основного стимуляционного цикла. IA: продолжительность цикла стимуляции составляет 3400 мс; и за каждым потенциалом действия следует подпороговая задержанная постдеполяризация. В начале фрагмента IБ длительность цикла стимуляции сокращена до 1700 мс; заметно постепенное повышение амплитуды постдеполяризации, следующей за каждым из первых 4 вызванных стимуляцией потенциалов действия. За последним вызванным потенциалом действия следует спонтанный потенциал действия, а затем поддерживающаяся ритмическая активность, частота которой выше, чем при стимуляции. IIА и IIБ: возникновение ритмической активности вследствие единственного вызванного импульса. IIА: после периода покоя за единственным вызванным потенциалом действия (стрелка) следует подпороговая постдеполяризация. IIБ: в несколько иных условиях - после одиночного вызванного потенциала действия (стрелка) отмечается поддерживающаяся ритмическая активность. IIIA и IIIБ: возникновение триггерной активности вследствие преждевременной стимуляции. IIIA: преждевременный импульс (стрелка) вызывается во время фазы реполяризации постдеполяризации, и амплитуда последующей постдеполяризации возрастает. IIIБ: за преждевременным импульсом (большая стрелка) следует постдеполяризация, которая достигает порога (маленькая стрелка) и приводит к появлению ряда триггерных импульсов .
Ионная природа токов, ответственных за возникновение постдеполяризации, а также механизм, изменяющий амплитуду постдеполяризаций при изменении продолжительности цикла стимуляции, неизвестны. Амплитуду постдеполяризации можно снизить с помощью лекарственных препаратов, способных уменьшать входящий ток, текущий через медленные Na+,Са2+-каналы. Эти препараты способны также предотвращать развитие триггерной активности . Считается, однако, что медленный входящий ток не принимает непосредственного участия в инициации постдеполяризаций; как полагают, ионы кальция, входящие в клетку через медленные каналы (а возможно, и другими путями), обусловливают появление в некоторых из них задержанного входящего тока, вызывающего постдеполяризацию .
ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ
мембраны, уменьшение разности потенциалов у находящейся в состоянии физиол. покоя клетки между её цитоплазмой и внеклеточной жидкостью, т. е. понижение потенциала покоя. Пассивная Д. возникает при прохождении через мембрану слабого электрич. тока выходящего направления (анод - внутри, катод - снаружи), не вызывающего изменений ионной проницаемости мембраны. Активная Д. развивается при повышении проницаемости мембраны для ионов Na+ или при её снижении для ионов К+. При возникновении потенциала действия активная Д., связанная с преходящим повышением натриевой проницаемости мембраны, приобретает регенеративный характер: Д. повышает натриевую проницаемость, что в свою очередь ведёт к увеличению Д., и т. д. Длительная Д. мембраны ведёт к инактивации натриевых каналов и повышению калиевой проницаемости, в результате чего происходит падение или полное исчезновение возбудимости клетки (волокна).
.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)
Смотреть что такое "ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ" в других словарях:
- (лат. от de отриц. част., и polarisatio поляризация). Такое изменение в кристалле колеблющегося по одному направлению луча света, что луч отражается назад. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910.… … Словарь иностранных слов русского языка
- [дэ], деполяризации, жен. (франц. depolarisation) (физ.). Уничтожение, ослабление поляризации. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
В кристаллохимии тип взаимодействия катионов и анионов, переходный между поляризацией и контрполяризацией. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
деполяризация - и, ж. dépolarisation f. Уничтожение или ослабление поляризации (гальванического элемента). СИС 1954. Лекс. Уш. 1934: деполяриза/ция … Исторический словарь галлицизмов русского языка
деполяризация - Уменьшение поляризации электрода. [ГОСТ 5272 68] Тематики коррозия металлов … Справочник технического переводчика
Деполяризация - – уменьшение поляризации электрода. [ГОСТ 5272 68] Рубрика термина: Защита от коррозии Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги, Автотехника … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ - снижение или устранение (см. (4)) электродов при работе хим. источников тока и при электролизе под влиянием деполяризаторов веществ, вводимых в электролит или в состав электродов. В качестве деполяризаторов катода используют окислители, анода… … Большая политехническая энциклопедия
Деполяризация - 16. Деполяризация Процесс устранения остаточной поляризации диэлектрика Источник: ГОСТ 21515 76: Материалы диэлектрические. Термины и определения оригинал документа 77. Деполяризация … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Depolarization Деполяризация. Уменьшение поляризации электрода. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал, НПО Мир и семья; Санкт Петербург, 2003 г.) … Словарь металлургических терминов
деполяризация - depoliarizacija statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrodo poliarizacijos sumažėjimas. atitikmenys: angl. depolarization rus. деполяризация … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Книги
- Теория дифракционных краевых волн в электродинамике. Введение в физическую теорию дифракции , Уфимцев Петр Яковлевич. В книге изучается дифракция электромагнитных волн на телах, больших по сравнению с длиной волны. Развиваются приближенные и строгие методы исследования. Полученные результаты проливают свет…
Электрический импульс, распространяющийся по сердцу и запускающий каждый цикл сокращений, называется потенциалом действия; он представляет собой волну кратковременной деполяризации, во время которой внутриклеточный потенциал поочередно в каждой клетке становится на короткое время положительным, а затем возвращается к своему исходному отрицательному уровню. Изменения нормального сердечного потенциала действия имеют характерное развитие во времени, которое для удобства подразделено на следующие фазы : фаза 0 - начальная быстрая деполяризация мембраны; фаза 1 - быстрая, но неполная реполяризация; фаза 2 - «плато», или продолжительная деполяризация, характерная для потенциала действия сердечных клеток; фаза 3 - конечная быстрая реполяризация; фаза 4 - период диастолы.
При потенциале действия внутриклеточный потенциал становится положительным, так как возбужденная мембрана временно приобретает большую проницаемость для Na + (по сравнению с К +), поэтому мембранный потенциал на какое-то время приближается по величине к потенциалу равновесия ионов натрия (E Na)- Е Nа можно определить, используя отношение Нернста; при внеклеточной и внутриклеточной концентрации Na + 150 и 10 мМ соответственно он составит:
Однако повышенная проницаемость для Na + сохраняется лишь непродолжительное время, так что мембранный потенциал не достигает E Na и после окончания потенциала действия возвращается к уровню покоя.
Указанные выше изменения проницаемости, вызывающие развитие фазы деполяризации потенциала действия, возникают вследствие открытия и закрытия особых мембранных каналов, или пор, через которые легко проходят ионы натрия. Как полагают, работа «ворот» регулирует открытие и закрытие отдельных каналов, которые могут существовать по меньшей мере в трех конформациях - «открытой», «закрытой» и «инактивированной». Одни ворота, соответствующие активационной переменной «m » в описании Ходжкина - Хаксли ионных потоков натрия в мембране гигантского аксона кальмара, быстро перемещаются, открывая канал, когда мембрана внезапно деполяризуется под действием стимула. Другие ворота, соответствующие инактивационной переменной «h » в описании Ходжкина - Хаксли, при деполяризации движутся медленнее, и их функция заключается в закрытии канала (рис. 3.3). Как установившееся распределение ворот в пределах системы каналов, так и скорость их перехода из одного положения в другое зависят от уровня мембранного потенциала. Поэтому для описания мембранной проводимости Na + используются термины «зависимый от времени» и «потенциалозависимый».
Если мембрану в покое внезапно деполяризовать до уровня положительного потенциала (например, в эксперименте по фиксации потенциала), то активационные ворота быстро изменят свое положение, чтобы открыть натриевые каналы, а затем инактивационные ворота медленно их закроют (рис. 3.3). Слово «медленно» означает здесь, что на инактивацию уходит несколько миллисекунд, тогда как активация происходит в доли миллисекунды. Ворота остаются в указанных положениях до тех пор, пока мембранный потенциал снова не изменится, и для того чтобы все ворота вернулись к исходному состоянию покоя, мембрана должна быть полностью реполяризована до уровня высокого отрицательного потенциала. Если мембрана реполяризуется лишь до невысокого уровня отрицательного потенциала, то некоторые инактивационные ворота останутся закрытыми и максимальное число доступных натриевых каналов, способных открыться при последующей деполяризации, сократится . (Электрическая активность сердечных клеток, в которых натриевые каналы полностью инактивированы, будет обсуждаться ниже.) Полная реполяризация мембраны в конце нормального потенциала действия обеспечивает возврат всех ворот к исходному состоянию и, следовательно, их готовность к следующему потенциалу действия.
Рис. 3.3. Схематическое изображение мембранных каналов для входящих потоков ионов при потенциале покоя, а также при активации и инактивации.
Слева показана последовательность состояний канала при нормальном потенциале покоя -90 мВ. В покое инактивационные ворота как Na + -канала (h), так и медленного Ca 2+ /Na + -канала (f) открыты. Во время активации при возбуждении клетки т-ворота Na + -канала открываются и входящий поток ионовNa + деполяризует клетку, что приводит к нарастанию потенциала действия (график внизу). Затем h-ворота закрываются, инактивируя таким образом проводимостьNa + . При нарастании потенциала действия мембранный потенциал превышает более положительный порог потенциала медленных каналов; их активационные ворота (d) при этом открываются и ионы Ca 2+ и Na + поступают в клетку, вызывая развитие фазы плато потенциала действия. Ворота f, инактивирующие Ca 2+ /Na + -каналы, закрываются гораздо медленнее, чем ворота h, которые инактивируют Na-каналы. На центральном фрагменте показано поведение канала при снижении потенциала покоя до менее чем -60 мВ. Большинство инактивационных ворот Na-канала остается закрытым до тех пор, пока мембрана деполяризована; возникающий при стимуляции клетки входящий потокNa + слишком мал, чтобы вызвать развитие потенциала действия. Однако инактивационные ворота (f) медленных каналов при этом не закрываются и, как показано на фрагменте справа, при достаточном возбуждении клетки, позволяющем открыть медленные каналы и пропустить медленно входящие потоки ионов, возможно ответное медленное развитие потенциала действия.
Рис. 3.4. Пороговый потенциал при возбуждении сердечной клетки.
Слева - потенциал действия, возникающий на уровне потенциала покоя, составляющем -90 мВ; это происходит при возбуждении клетки поступающим импульсом или каким-либо подпороговым стимулом, быстро понижающим мембранный потенциал до значений, лежащих ниже порогового уровня в - 65 мВ. Справа - эффекты двух подпороговых и порогового стимулов. Подпороговые стимулы (а и б) не дают снижения мембранного потенциала до порогового уровня; следовательно, потенциал действия не возникает. Пороговый стимул (в) снижает мембранный потенциал точно до порогового уровня, на котором затем возникает потенциал действия .
Быстрая деполяризация в начале потенциала действия вызывается мощным входящим потоком ионов натрия, поступающих внутрь клетки (соответственно градиенту их электрохимического потенциала) через открытые натриевые каналы . Однако прежде всего натриевые каналы должны быть эффективно открыты, для чего требуется быстрая деполяризация достаточно большой площади мембраны до необходимого уровня, называемого пороговым потенциалом (рис. 3.4). В эксперименте этого можно достичь, пропуская через мембрану ток из внешнего источника и используя внеклеточный или внутриклеточный стимулирующий электрод. В естественных условиях той же цели служат локальные токи, протекающие через мембрану непосредственно перед распространяющимся потенциалом действия. При пороговом потенциале достаточное количество натриевых каналов оказывается открытым, что обеспечивает необходимую амплитуду входящего натриевого тока и, следовательно, дальнейшую деполяризацию мембраны; в свою очередь деполяризация вызывает открытие большего числа каналов, приводя к увеличению входящего потока ионов, так что процесс деполяризации становится регенеративным. Скорость регенеративной деполяризации (или нарастания потенциала действия) зависит от силы входящего натриевого тока, которая в свою очередь определяется такими факторами, как величина градиента электрохимического потенциала Na + и количество доступных (или неинактивированных) натриевых каналов. В волокнах Пуркинье максимальная скорость деполяризации при развитии потенциала действия, обозначаемая как dV/dt max или V max , достигает примерно 500 В/с, и если бы такая скорость поддерживалась в течение всей фазы деполяризации от -90 мВ до +30 мВ, то изменение потенциала на 120 мВ заняло бы около 0,25 мс. Максимальная скорость деполяризации волокон рабочего миокарда желудочков составляет примерно 200 В/с, а мышечных волокон предсердий-от 100 до 200 В/с . (Фаза деполяризации потенциала действия в клетках синусового и атриовентрикулярного узлов существенно отличается от только что описанной и будет обсуждаться отдельно; см. ниже.)
Потенциалы действия с такой высокой скоростью нарастания (их часто называют «быстрыми ответами») быстро распространяются по сердцу. Скорость распространения потенциала действия (как и V max) в клетках с одинаковой пропускной способностью мембраны и характеристиками осевого сопротивления определяется главным образом амплитудой направленного внутрь тока, протекающего во время фазы нарастания потенциала действия. Это связано с тем, что локальные токи, проходящие через клетки непосредственно перед потенциалом действия, имеют большую величину при более быстром нарастании потенциала, поэтому мембранный потенциал в этих клетках раньше достигает порогового уровня, чем в случае токов меньшей величины (см. рис. 3.4). Конечно, эти локальные токи протекают через клеточную мембрану и сразу после прохождения распространяющегося потенциала действия, но они уже неспособны возбудить мембрану ввиду ее рефрактерности.
Рис. 3.5. Нормальный потенциал действия и реакции, вызванные стимулами на разных стадиях реполяризации.
Амплитуда и возрастание скорости ответов, вызванных во время реполяризации, зависят от уровня мембранного потенциала, на котором они возникают. Самые ранние ответы (а и б) возникают на столь низком уровне, что оказываются слишком слабыми и неспособными к распространению (градуальные или местные ответы). Ответ «в» представляет собой наиболее ранний из распространяющихся потенциалов действия, но его распространение происходит медленно ввиду незначительного возрастания скорости, а также низкой амплитуды. Ответ «г» появляется точно перед полной реполяризацией, скорость его усиления и амплитуда выше, чем при ответе «в», так как он возникает при более высоком мембранном потенциале; однако скорость его распространения становится ниже нормальной. Ответ «д» отмечается после полной реполяризации, поэтому его амплитуда и скорость деполяризации имеют нормальные значения; следовательно, он быстро распространяется. ПП - потенциал покоя.
Продолжительный рефрактерный период после возбуждения сердечных клеток обусловлен большой длительностью потенциала действия и вольтажной зависимостью механизма ворот натриевых каналов. За фазой нарастания потенциала действия следует период продолжительностью от сотни до нескольких сотен миллисекунд, в течение которого регенеративный ответ на повторный стимул отсутствует (рис. 3.5). Это так называемый абсолютный, или эффективный, рефрактерный период; обычно он охватывает плато (фаза 2) потенциала действия. Как описано выше, натриевые каналы инактивируются и остаются закрытыми во время такой поддерживающейся деполяризации. В ходе реполяризации потенциала действия (фаза 3) инактивация постепенно устраняется, так что доля каналов, способных снова активироваться, постоянно возрастает. Следовательно, с помощью стимула в начале реполяризации можно вызвать лишь небольшой входящий поток ионов натрия, однако по мере продолжения реполяризации потенциала действия такие потоки будут увеличиваться. Если некоторые из натриевых каналов остаются невозбудимыми, то вызванный входящий поток Na + может привести к регенеративной деполяризации и, следовательно, к возникновению потенциала действия. Однако скорость деполяризации, а значит, и скорость распространения потенциалов действия значительно снижены (см. рис. 3.5) и нормализуются только после полной реполяризации . Время, в течение которого повторный стимул способен вызвать такие «градуальные» потенциалы действия, называется относительным рефрактерным периодом. Вольтажная зависимость устранения инактивации изучалась Weidmann, установившим, что скорость повышения потенциала действия и возможный уровень, при котором этот потенциал вызывается, находятся в S-образной зависимости, известной также как кривая реактивности мембраны.
Низкая скорость нарастания потенциалов действия, вызванных в течение относительного рефрактерного периода, обусловливает их медленное распространение; такие потенциалы действия могут послужить причиной некоторых нарушений проведения, например задержки, затухания и блокирования, и даже способны вызвать циркуляцию возбуждения. Данные явления обсуждаются ниже в этой главе.
В нормальных сердечных клетках за входящим натриевым током, ответственным за быстрое нарастание потенциала действия, следует второй входящий ток, меньшей величины и более медленный, чем натриевый ток, который, по-видимому, переносится в основном ионами кальция . Этот ток обычно относят к «медленному входящему току» (хотя он является таковым только в сравнении с быстрым натриевым током; другие важные изменения, например наблюдаемые во время реполяризации, вероятно, замедляются); он протекает через каналы, которые в соответствии с характеристиками их проводимости, зависящей от времени и вольтажа, были названы «медленными каналами» (см. рис. 3.3) . Порог активации этой проводимости (т. е. когда начинают открываться активационные ворота - d) лежит между -30 и -40 мВ (сравните: от -60 до -70 мВ для натриевой проводимости) . Регенеративная деполяризация, обусловленная быстрым натриевым током, обычно активирует проводимость медленного входящего тока, поэтому в более поздний период нарастания потенциала действия ток течет по каналам обоих типов. Однако ток Са 2+ гораздо меньше максимального быстрого тока Na + , поэтому его вклад в потенциал действия весьма невелик до тех пор, пока быстрый ток Na + не станет достаточно инактивированным (т. е. после начального быстрого нарастания потенциала). Поскольку медленный входящий ток может инактивироваться лишь очень медленно, он вносит свой вклад в основном в фазу плато потенциала действия. Так, уровень плато смещается в сторону деполяризации, когда градиент электрохимического потенциала для Са 2+ увеличивается при повышении концентрации [Са 2+ ] 0 ; снижение [Са 2+ ] 0 вызывает смещение уровня плато в противоположную сторону . Однако в некоторых случаях может отмечаться вклад кальциевого тока в фазу нарастания потенциала действия. Например, на кривой нарастания потенциала действия в миокардиальных волокнах желудочка лягушки иногда наблюдается изгиб около 0 мВ, в точке, где первоначальная быстрая деполяризация уступает место более медленной деполяризации, которая продолжается до пика овершута потенциала действия. Как было показано, скорость более медленной деполяризации и величина овершута возрастают с повышением [Са 2+ ] 0 .
Кроме различной зависимости от мембранного потенциала и времени, эти два типа проводимости различаются и по своим фармакологическим характеристикам. Так, ток через быстрые каналы для Na + снижается под действием тетродотоксина (ТТХ) , тогда как медленный ток Са 2+ не поддается влиянию ТТХ , но усиливается под действием катехоламинов и угнетается ионами марганца , а также некоторыми препаратами, такими как верапамил и D-600 . Представляется весьма вероятным (по крайней мере в сердце лягушки), что большая часть кальция, необходимого для активации белков, способствующих каждому сокращению сердца, попадает в клетку во время потенциала действия через медленный канал для входящего тока. У млекопитающих доступным дополнительным источником Са 2+ для сердечных клеток служат его запасы в саркоплазматическом ретикулуме.
Сдвиги в величине МП при возбуждении связаны с изменениями ионной проницаемости.
Если в состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов К+ выше, чем для ионов Nа+, то при действии раздражителя проницаемость для ионов Nа+ повышается и, в конечном итоге, становится в 20 раз выше проницаемости для ионов К+. В результате превышения потока ионов Na+ из внешнего раствора в цитоплазму, по сравнению с направленным наружу калиевым током, происходит перезарядка мембраны.
Повышение проницаемости мембраны для ионов Na+ продолжается лишь очень короткое время, а затем она падает, а для ионов K+ проницаемость возрастает. Понижение натриевой проницаемости называют натриевой инактивацией . Возрастающий поток ионов K+ из цитоплазмы и натриевая инактивация приводят к реполяризации мембраны (фаза реполяризации) (Рис.4).
Рис. 4. Временной ход изменений натриевой (gNa) и калиевой (gk) проницаемости мембраны гигантского аксона кальмара во время генерации потенциала действия (V).
Следует отметить, что в генезе восходящей фазы ПД у ракообразных и гладких мышцах позвоночных ведущую роль играют ионы Ca++. В клетках миокарда начальный подъем потенциала действия связан с повышением проницаемости мембраны для Na+, а плато ПД обусловлено повышением проницаемости для ионов Ca++ (Рис.5)
Рис.5. Потенциал действия мышечного волокна миокарда собаки
Ионные каналы.
Изменение проницаемости клеточной мембраны для ионов Nа+ и K+ при возбуждении связано с активацией и инактивацией Na – и K – каналов, обладающих двумя важными свойствами:
1. Избирательной проницаемостью (селективностью) по отношению к определенным ионам;
2. Электроуправляемостью, т.е. зависимостью от электрического поля мембраны.
Процесс открывания и закрывания каналов носит вероятностный характер. Изменение мембранного потенциала лишь определяет среднее число открытых каналов. Ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны.
Данные же о функциональной организации каналов строятся на исследованиях электрических явлений в мембранах и влияния на каналы различных химических агентов, как токсины, ферменты, лекарственные вещества.
Селективность электровозбудимых ионных каналов нервных и мышечных клеток по отношению к ионам натрия, калия, кальция, хлора не абсолютная: название канала, например, натриевый, указывает лишь на ион, для которого данный канал наиболее проницаем.
Для количественной оценки зависимости ионных проводимостей от величины генерируемого потенциала применяется "метод фиксации потенциала". Сущность метода заключается в насильственном поддержании мембранного потенциала на любом заданном уровне. С этой целью на мембрану подается ток равный по величине, но обратный по знаку ионному току и, измеряя этот ток при различных потенциалах можно проследить зависимость потенциала от ионных проводимостей мембраны. При этом используются специфические блокаторы тех или иных каналов с целью выделить необходимый компонент из общего ионного тока.
На рис.6 показаны изменения натриевой (gNa) и калиевой (gK) проницаемости мембраны нервного волокна во время фиксированной деполяризации.
Рис. 6. Изменение при фиксированной деполяризации
Установлено, что деполяризация связана с быстрым увеличением натриевой проводимости (gNa), которая за доли миллисекунд достигает максимума, а затем медленно снижается. Снижение и прекращение натриевого тока происходит на фоне еще не завершившегося ПД.
После окончания деполяризации способность натриевых каналов вновь открываться восстанавливается постепенно в течение десятков мсек.
Увеличение проницаемости клеточной мембораны для Na+ и K+определяется состоянием воротного мехнизма селективных, электроуправляемых каналов. В некоторых клетках, в частности в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы важную роль в возникновении ПД играют управляемые каналы для Са ++. Воротный механизм Na – каналов расположен на внешней и внутренней сторонах клеточной мембраны, воротный механизм K – каналов на внутренней (К+ движется из клетки наружу).
Каналы для Na+ имеет наружное и внутреннее расширение ("устья") и короткий суженный участок (селективный фильтр) для отбора катионов по их размеру и свойствам. В области внутреннего конца натриевый канал снабжен двумя типами "ворот" - быстрыми активационными (m – "ворота") и медленными инактивационными (h – "ворота").
Рис. 7. Схематическое изображение электровозбудимого натриевого канала.
Канал (1) образован макромолекулой белка 2), суженная часть которого соответствует «селективному фильтру». В канале имеются активационные (гп) и инакгивационные (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 гп-«ворот» и медленному закрыванию п-«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 (it) ииактивацмонные «ворота» закрываются и капач переходит в состояние инактивации.
В условиях покоя активационные m – ворота закрыты, инактивационные h – ворота преимущественно (около 80%) открыты; закрыты также калиевые активационные ворота, инактивационных ворот для К+ нет.
Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Екр, критический уровень деполяризации – КУД), которая обычно составляет –50 мВ проницаемость мембраны для Na+ резко возрастает: открывается большое число потенциалзависимых m– ворот Na – каналов и Na+ лавиной устремляется в клетку. Через один открытый натриевый канал за 1 мс проходит до 6000 ионов. В результате интенсивного тока Na+ внутрь клетки деполяризация проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Na+: открываются все новые и новые активационные m – ворота Na+ - каналов, что придает току Na+ в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.
Во вторую фазу ПД (фаза инверсии) происходит перезарядка мембраны: заряд внутри клетки становится положительным, снаружи – отрицательным. Активационные m – ворота Na+ - каналов еще открыты и некоторое время (доли миллисекунды) Na+ продолжает входить в клетку, о чем свидетельствует продолжающееся нарастание ПД. Прекращение роста ПД происходит в результате закрытия натриевых инактивационных h – ворот и открытия ворот К – каналов, т.е. вследствие увеличения проницаемости для K+ и резкого возрастания выхода его из клетки.
Рис. 8 Состояние натриевых и калиевых каналов в различные фазы потенциалов действия (схема) Объяснение в тексте.
Рис.8.Состояние натриевого канала в различные фазы потенциала действия.
а) в состоянии покоя активационные m – "ворота" закрыты, инактивационные h- "ворота" открыты.
б) деполяризация мембраны сопровождается быстрым открыванием активационных "ворот" и медленным закрыванием инактивационных "ворот".
в) при продолжительной деполяризации инактивационные каналы закрываются (состояние инактивации).
г) после окончания деполяризации h -"ворота" медленно открываются, а m – "ворота" быстро закрываются, канал возвращается в исходное состояние.
Начальный подьем gNа связан с открыванием m – "ворот" (процесс активации), последующее падение gNа во время продолжающейся деполяризации мембраны - с закрыванием
h – "ворот" (процесс инактивации).
Таким образом, восходящая фаза ПД связана с повышением натриевой проницаемости, которая, в свою очередь, увеличивает начальную деполяризацию. Это сопровождается открыванием новых натриевых каналов, и повышением gNa. Нарастающая при этом деполяризация, в свою очередь, обуславливает дальнейшее повышение gNa. Схематически это может быть представлено следующей следующим образом:
Раздражитель Деполяризация мемабраны
Входящий Повышение
натриевый ток натриевой проницаемости.
Такой круговой процесс получил название регенеративной (т.е. самообновляющейся) деполяризации.
Теоретически регенеративная деполяризация должна была бы завершиться повышением внутреннего потенциала клетки до величины равновесного потенциала для ионов Na+. Однако, пик потенциала действия (овершут) никогда не достигает величины ENa, поскольку под влиянием деполяризации начинается медленная активация калиевых каналов и рост gK, приводящий к реполяризации и даже временной следовой гиперполяризации.
Под влиянием реполяризации происходит медленное устранение натриевой инактивации, открываются инактивационные ворота и натриевые каналы возвращаются в исходное состояние.
Специфическим блокатором натриевых каналов является тетродотоксин - яд рыбы – собаки (иглобрюха). Используя радиактивный тетродотоксин, подсчитали плотность натриевых каналов в мембране. У различных клеток она варьирует от десятков до десятков тысяч натриевых каналов на квадратный микрон мембраны.
Селективность калиевых каналов выше селективности натриевых: они практически не проницаемы для Na+. Диаметр их селективного фильтра около 0,3нм. Активация калиевых каналов характеризуется более медленной кинетикой, чем активация натриевых каналов. Блокаторами калиевых каналов являются органический катион - тетраэтиламмоний и аминопиридины.
Блокаторами кальциевых каналов, характеризующихся также медленной кинетикой процессов активации, являются некоторые органические соединения, как верапамил, нифедипин. Они используются в клинической практике для подавления повышенной электрической активности гладких мышц.
Во время импульсной активности через каждый квадратный микрон мембраны гигантского аксона кальмара в протоплазму поступает 20 000 ионов Nа+ и столько же ионов K+ покидает волокно.
При возбуждении и повышении внутриклеточной концентрации ионов Na+ активируется Na-, K - насос. Благодаря работе насоса, нарушенное при возбуждении неравенство ионных концентраций полностью восстанавливается. Скорость выведения Nа+ из цитоплазмы активным ионным транспортом относительно мала, в 200 раз ниже скорости движения этих ионов через мембрану по концентрационному градиенту.
