Закон «всё или ничего» - правило, согласно которому на подпороговое раздражение возбудимая клетка не дает ответа, а на пороговое раздражение дает сразу максимальный ответ, причем при дальнейшем повышении силы раздражения величина ответа не изменяется.
№100. Потенциал действия: графический вид и характеристики, механизмы возникновения и развития.
Потенциа́л де́йствия - волна возбуждении, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
А – спокойное состояние; В –мембрана на которой возник потенциал действия
В основе любого потенциала действия лежат следующие явления:
1. Мембрана живой клетки поляризована - её внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится бо́льшее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности - бо́льшее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).
2. Мембрана обладает избирательной проницаемостью - её проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.
3. Мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю.
Третье явление является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.
1. Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ).
2. Пиковый потенциал, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части (реполяризация мембраны).
3. Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).
4. Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).
№101.Потенциал-зависимые ионные каналы: строение, свойства, функционирование
Для каналов характерна ионная специфичность. Каналы одного типа пропускают только ионы калия, другого - только ионы натрия и т. д.
Ионные потенциал-зависимые каналы - это каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала, например, натриевые каналы, ответственные за потенциал действия Если мембранный потенциал поддерживать на уровне потенциала покоя, натриевый ток практически отсутствует, что означает, что натриевые каналы закрыты. Если теперь сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону и удерживать его на постоянном уровне, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы натрия начнут передвигаться в клетку по градиенту концентрации. Этот натриевый ток достигнет максимума и Через несколько миллисекунд ток падает почти до нуля. Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, отличающееся от первоначального закрытого состояния, при котором они были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд.
При регистрации токов в очень малых участках мембраны было обнаружено, что канал открывается по принципу "все или ничего". Открытые каналы обладают одинаковой проводимостью, но открываются и закрываются независимо друг от друга, поэтому суммарный ток через мембрану всей клетки с ее многочисленными каналами определяется не степенью открытости каналов, а вероятностью быть открытым для каждого отдельного канала.
_______________________________________________________________________________________
№102. Механизм и скорость распространения потенциала действия по безмякотному нервному волокну.
Скорость проведения в нервных волокнах колеблется от 0,25 м/сек в очень тонких немиелинизированных волокнах
Распространение потенциала действия вдоль нервного волокна(аксона) обусловлено возникновением локальных токов, образующихся между возбужденным и невозбужденным участками клетки. В состоянии покоя внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал, а внутренняя отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную. В результате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов, это и приводит к появлению между этими участками локальных токов. На поверхности клеток локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному, внутри клетки – в обратном направлении. Локальный ток раздражает соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости мембран. Это приводит к возникновению потенциалов действия в соседних участках. В то же время, в ранее возбужденном участке происходят восстановительные процессы реполяризации Вновь возбужденный участок в свою очередь становиться элекроотрицательным и возникающий локальный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс повторяется многократно и обусловливает распространение импульсов возбуждения по всей длинне клетки в обоих направлениях. В нервной системе импульсы проходят лишь в определенном направлении из-за наличия синапсов, обладающих односторонней проводимостью.
Удельное сопротивление биомембран велико, но вследствии их малой толщины сопротивление изоляции в сотни тысяч раз меньше, чем у технического кабеля.По этому однородное нервное волокно не может проводить электрический сигнал на далекие расстояния.
λ=корень из (dR/4р)
d- диаметр волокна, R - поверхностное сопротивление мембраны в Ом * м 2 и р-удельное сопротивление аксоплазмы в Ом*м.
С увеличением λ (постоянная длины) степень затухания сигнала уменьшается, при этом возрастает скорость проведения импульса. Увеличения постоянной длинны λ можно добиться путем увеличения диаметра d аксона.
_______________________________________________________________________________________
№103. Механизм и скорость распространения потенциала действия по миелинизированному нервному волокну.
У высокоорганизованных животных затухание сигнала предотвращается с помощью миелиновой оболочки вокруг аксона. Примерно через каждые 1-3 мм вдоль миелиновой оболочки имеется перехват Ранвье.
Центральной его частью является аксон, по мембране которого проводится потенциал действия. Аксон заполнен аксоплазмой - вязкой внутриклеточной жидкостью.
С увеличением λ степень затухания сигнала уменьшается, при этом возрастает скорость проведения импульса.
Удельное сопротивление миелина значительно выше удельного сопротивления других биологических мембран.кроме того толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины постоянной длины. λ
В связи с большим сопротивлением миелиновой оболочки по поверзности аксона токи протекать не могут. При возбуждении одного узла возникают токи между ним и другими узлами. Ток подошедший к другому узлу, возбуждает его, вызывает появление в этом месте потенциала действия, и так процесс распространяется по всему волокну. Затраты энергии на распространение сигнала по волокну, покрытому миелином значительно меньше чем по немиелинизированному.
_______________________________________________________________________________________
№104. Назначение и определение рецепции. Схема движения информации при рецепции.
Рецепция – это восприятие организмом энергии раздражителя, несущего информацию и преобразующим её в электрические сигналы нервного возбуждения.
Рецепция необходима для:
1. Оптимизации поведения живой системы в зависимости от ситуации во внешнем мире
2. Непрерывные регуляции характеристик состояния внутренних органов, сред и тканей организма
Простейшая блок схема (квадратики 1-9, 5 и 8 -над линией):
1. Источник информации
2. Стимул, воспринимаемый организмом
3. Устройство подготовки и сбора сигнала для рецепции
4. Непосредственно рецептор (устройство воспринимающее сигнал и преобразующее его в электронные импульсы)
5. Нервные пучки, проводящие импульсы в корковый центр
6. Корковый центр, воспринимающий и осуществляющий анализ первичной информации
7. ЦНС – окончательная обработка и оценка информации
8. Эфферентные нервные пути передающие информацию от ЦНС к органу или системе то есть эффектору.
9. Исполнитель
№105. Определение рецептора. Органы чувств и анализаторы. Примеры использования рецепции в жизнедеятельности организма.
Рецептор – это устройство воспринимающее сигнал и преобразующее его в электронные импульсы
Биологические анализаторы – это биологические системы, предназначенные для восприятия, а иногда и обработки информации из внешней и внутренней среды
Порог ступени : ни одна сенсорная система не способна воспринимать сигнал сколь угодно малой интенсивности. Она воспринимает только те сигналы которые больше I порога ступени.
Порок интенсивности – минимальная единица, которая вызывает чувствительность
Kc = I ад.ст./ I неад. ст.
Частотная характеристика – стимулы, имеющие колебательную природу.
При постоянной I стимула (I ст = const), но изменении его частоты происходит адекватное отражение картины, но при определенном диапазоне частот – картина искажается, на еще большем отдалении сигнал перестает восприниматься.
Амплитудная характеристика связывает I ощущения с I стимула.
Предел разрешения: тип различия между параметрами сигнала (либо по амплитуде, либо по частоте), которые при данных условиях еще вызывают ощущения изменения.
Орган чувств - сложившаяся в процессе эволюции специализированная периферическая анатомо-физиологическая система, обеспечивающая благодаря своим рецепторам получение и первичный анализ информации из окружающего мира и от других органов самого организма, то есть из внешней и внутренней среды организма.
Дистантные органы чувств воспринимают раздражения на расстоянии (например, органы зрения, слуха, обоняния); другие органы (вкусовые и осязания) - лишь при непосредственном контакте. Одни органы чувств могут в определенной степени дополнять другие. Например, развитое обоняние или осязание может в некоторой степени компенсировать слабо развитое зрение.
Примеры использования рецепции в жизнедеятельности организма.??
№106. Классификация рецепторов.
1. По методу получения информации:
Экстерорецепторы (из внешней среды)
Интерорецепторы (изнутри)
2. По природе воспринимаемых раздражителей:
Механорецепторы (рецепторы расширения легких)
Хеморецепторы (рецепторы кожных реакций, слуха, обоняния, вкуса)
Терморецепторы (тепловые, холодовые)
Электрорецепторы (боковые линии у рыб)
Магниторецепторы (навигация при перемещении у птиц)
3. По степени универсальности:
Мономодальные – фиксирующие раздражение только одного раздражителя
Полимодальные - фиксирующие раздражение нескольких раздражителей
№107. Строение рецепторов.
СНО (свободные нервные окончания). Аксон разделяется на нервные окончания, потерявшие способность к возбуждению, являются полимодальными образованиями.
ИНО (инкапсулированные чувствительные окончания)
Они были сконструированы, как чувствительные специализированные клетки мономодальные. Являются видоизменёнными аксонами нейронов, иногда это эпителиальные клетки.
По внутреннему строению рецепторы бывают как простейшими, состоящими из одной клетки, так и высокоорганизованными, состоящими из большого количества клеток, входящих в состав специализированного органа чувств.
Наиболее примитивными рецепторами считаются механические, реагирующие на прикосновение и давление. Разница между этими двумя ощущениями количественная; прикосновение обычно регистрируется тончайшими окончаниями нейронов, расположенными близко к поверхности кожи, в основаниях волосков или усиков. Есть и специализированные органы – тельца Мейснера. На давление же реагируют тельца Пачини, состоящие из единственного нервного окончания, окружённого соединительной тканью. Импульсы возбуждаются за счёт изменения проницаемости мембраны, возникающей благодаря её растяжению.
№108. Общие механизмы рецепции. Рецепторные потенциалы.
1 этап: Когда приходит адекватный для данного рецептора стимул. Взаимодействует с рецептирующим субстратом, который обычно находятся в мембране клетки.
2 этап: В R: происходит локальное изменение мембранной разности потенциалов. Сам рецептор не является возбудимой клеткой, так как там нет потенциал зависимых каналов! Изменение – рецепторный потенциал (РП), не подвергается закону «все или ничего», зависит от длительности действия стимула и от его интенсивности.
3 этап: Генерации потенциала приводит в R: к возобновлению потенциала действия (ПД).
Деполяризация называется рецепторным потенциалом (или генераторным потенциалом). Рецепторный потенциал обусловлен повышением Na+ - проводимости мембраны дендритов, в результате чего вход ионов натрия создает деполяризующий рецепторный потенциал, который электротонически распространяется к соме. Эта первичная трансформация стимула в рецепторный потенциал называется преобразованием, а рецептор, таким образом, является преобразователем.
Исключение составляют рецепторные потенциалы первичных зрительных клеток сетчатки, являющиеся гиперполяризующими.
Стимул не служит источником энергии для рецепторного потенциала, он только контролирует путем взаимодействия с мембранными процессами вход ионов через мембрану, основанный на трансмембранной разности их концентраций.
Рецепторный потенциал электротонически распространяется от дендритов по соме, деполяризует основание аксона и если деполяризация превысит порог для возбуждения, в аксоне возникает серия потенциалов действия, частота которой зависит от амплитуды рецепторного потенциала. Потенциалы действия проводятся в ЦНС и несут в форме частотного кода всю информацию о величине и длительности стимулов.
Потенциа́л де́йствия - волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого, наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной, по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
№109. Кодирование информации в органах чувств.
Цели биологической системы:
1. самосохранение
2. продолжение рода
Любая информация, приходящая в рецепторные системы переносится определенным физическим носителем (длительные анализатор – электро-магнитные). Стимулы преобразуется в рецепторный потенциал, а затем в потенциала действия.
v(ню) = k log I(ст) – частота следующих пачек ПД пропорциональна интенсивности стимула.
В сенсорных системах широко применяется кодирование силы раздражителя:
1) путём изменения частоты импульсов в волокнах;
2) количеством задействованных нервных элементов;
3) также широко применяется кодирование качества раздражителя особой структурой ответа рецептора и волокна, так называемым паттерном (рисунком) ответа.
Согласно теории структуры ответа качества раздражителя кодируются рисунком (паттерном) пачки ПД, т.е. количеством, частотой и характерным распределением потенциалов действия внутри каждой пачки импульсов, а также количеством, продолжительностью, частотой самих пачек, периодичностью их следования, продолжительностью межимпульсных интервалов и т.д.
№110. Особенности светового и звукового восприятия. Закон Вебера-Фехнера.
Психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличение раздражения в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения увеличивает в арифметической прогрессии.
Если I (интенсивность звука) принимает ряд последовательных значений аI 0 ; a 2 I 0 ; a 3 I 0 , то соответствующим ощущением – E 0 ; 2E 0 ; 3E 0 … a – коэффициент, а больше 1.
Другими словами, громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. При действии 2-х звуковых раздражителей I0 и I (I0 – порок слышимости)
E=k*lg(I/ I); k - коэффициент пропорциональности.
Рецепция Звука:
Характеризуется:
1. Частотой
2.Амплитудой
3. Спектром
Продольные акустические давление в определенном диапазоне частот.
Абсолютный порог слышимости – I тип звука, который улавливается ухом.
I0=10-12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц
Коэффициент избирательности равен 10-10.
Ушная раковина
Наружный слуховой проход
Барабанная перепонка
Рецепция света:
Рецепция света – фоторецепторы
1.Колбочки – реализация цветового зрения. Принцип действия такой жжет как и у палочек.
2. Палочки – реализация сумеречного зрения. Сетчатка – многослойное образование, толстое, есть сосудистая оболочка и т.д. Рецепторы находятся на дне в пигментном эпителии.
Квант света попадает в мембране диска. Этим зрительным рецепции и отличается, т.к. в других случаях стимул в самих рецепторах, а в зрительном рецепторе в мембрану органеллы. У палочек рецепторный пигмент – родоксин, у колбочек – йодоксин. Родоксин состоит из ретиноля и оксина, свойство – имеет возможность конформационно перестраиваться.
Нормальное состояние – цис-состояние, отличающееся закругленностью. Поймав квант света происходит перестройка в транс-состояние, при это выделяется некоторое количество энергии. Процесс называется фотоизомерезация.
Происходит изменение свойств мембраны дисков. Рождается внутриклеточный посредник, он передает г/з ц/п воздействия на цитомембрану – происходит воздействие на неё (гиперполяризация) – палочки/колбочки.
Рецепторный потенциал - биопотенциал, возникающий при деполяризации поверхностной мембраны рецептора, обусловленной действием на него раздражителя. Он распределяется по мембране колбочки/палочки и добирается до синапса. Сигнал, прошедший синапс, возбуждает мембрану аксона. Далее он распределяется дальше и идет в зрительный нерв. Гиперполяризация возникает благодаря тому, что прошедший внутренний посредник способствует закрытию натриевых каналов и называется они фотозависимые Na каналы.
Проблемы Цветного зрения:
Дальтонизм (частичная цветовая слепота) наследственное нарушение цветового зрения у людей, заключающееся в неспособности различать некоторые цвета (большей частью красный и зеленый). Объясняется отсутствием в сетчатке глаза колбочек одного или нескольких типов.
№111. Основные характеристики слухового анализатора. Механизмы слуховой рецепции.
Звук – это механические колебания в упругой среде. Имеет объектив характеристики, т.е. не зависит от нашего восприятия.
Характеризуется:
1. Частотой
2.Амплитудой
3. Спектром
Интенсивность – это громкость звука.
Характеристики слухового анализатора:
Продольное акустическое давление - в определенном диапазоне частот.
Абсолютный порог слышимости – тип звука, который улавливается ухом.
I 0 =10 -12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц
Коэффициент избирательности равен 10 -10 .
Слуховая рецепция. Назначение, строение и работа звуковоспринимающих систем.
1. Наружное ухо (подготовка звуковых колебаний к реакции)
Ушная раковина
Наружный слуховой проход
Барабанная перепонка
Есть слуховые косточки, связки, мышцы (среднее ухо), улитка, баз. мембрана.
По базальной мембране проходят прямая и отраженная волны. Пучность возникает при интерференции этих волн.
В месте залегания волосков – деполяризация доходит до колебания
Раздражение слухового нерва в нижней части БМ и через синапс.
№112. Основные характеристики зрительного анализатора. Механизмы зрительной рецепции.
Зрительный анализатор обладает оптической системой, которая преломляет и фокусирует приходящие световые лучи и в результате этого строится изображение на сетчатке.
Световые лучи – поток этих волн. Их можно рассматривать как волны и как аналоги некоторых частиц = кванты света.
Строение зрительного анализатора.
Адекватный раздражитель это волны определенного диапазона частот. Чувствительность зрительного анализатора – порог светочувствительности 10 -18 Вт
Глаз способен воспринимать световые кванты начиная с 10 кв, при прозрачной атмосфере можно увидеть свечу на расстоянии от 1-3 км. Коэффициент избирательности высокий 10 -14 .
Частотная характеристика.(400 – 750 Нм). Амплитудная характеристика - Эта логарифмическая зависимость выполняется в пределах 100 кратного измерения стимула.
№113. Физические факторы, имеющие экологическую значимость. Уровни естественного фона.
Экология – это условия окружающей среды, в которых находится биосистема.
Физические экологические факторы (по происхождению):
Геофизические →метеорологические→Земные
Космические: солнечные, космические
Антропогенные
Физические экологические факторы (по физ.сущности):
· магнитные поля (силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.)
· гравитационные поля (физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие (Гравитация -универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами)
· электрические поля →ЭМ: радиоизлучение, телевизионный диапазон, локаторы, УФ облучение (на ДНК кожное облучение)
2. вибрация (механическиеколебания.)
3. радиация
· инфразвук (упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16-25 Гц)
· ультразвук (упругие звуковые колебания высокой частоты)
4. звуковые факторы
5. шумовые факторы
________________________________________________________________________________________________________
№114. Составляющие величины естественного фона. Примеры антропогенного изменения фоновых значений физических факторов.
Фон – усредненная величина, характеризующая количественное значение экологического фактора в данном регионе.
Фон = E ф.(естественный фон) + a×с (антропогенное состояние)
Р ф.= E ф. (излучение земных пород, космическое излучение радона) +a×с (возникает благодаря испытаниям яд. оружия)
М ф. = Е ф. (геомагнитное поле, космическое составляющее магнитного поля от естественных влияний) + a×с (электротранспорт, бытовая техника, мед. исследования)
Дополнительно. Изменения леса. Каждый участок леса подвергался раньше или подвергается сейчас определенным видам антропогенного воздействия - даже в том случае, если такое воздействие не может быть прямо обнаружено и измерено. Характерными примерами таких повсеместно распространенных видов антропогенных воздействий являются глобальное загрязнение атмосферы, изменения численности видов охотничье-промысловых животных или изменения частоты лесных пожаров в результате изменения плотности и образа жизни населения в лесных регионах.
_______________________________________________________________________________________
№115. Значение радиационного фона для здоровья человека.
Радиационное излучение – один из наиболее изученных и сильных по воздействию на живые системы биофизических факторов. За этим термином прячется спектр разнообразных по природе и по эффекту излучений.
Одна из опасностей радиоактивного излучения связана с тем, что у человека нет к нему рецепторов. Человеческий организм очень чувствителен к радиоактивным поражениям. Радиоактивное излучение в результате воздействий на клеточном и субклеточном уровне вызывает появление большого количества свободных радикалов (они вредоносны).
Возникает поражение системы крови, общее название – лучевая болезнь.
Радиопротекторы в какой-то степени понижают эффекты радиационного излучения.
Проникающая способность:
От мм для α
До см для β
Для нейротропного излучения до полного проникновения
_______________________________________________________________________________________
№116. Геомагнитное поле. Природа, биотропные характеристики, роль в жизнедеятельности биосистем.
Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) - магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками.
Строение и характеристики магнитного поля Земли
На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.
По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».
Параметры поля
Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.
Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.
Магнитные поля в свободном состоянии – 0,4 Э (Эрстед)
Напряжённость поля на поверхности Земли сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает.
Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.
Магнитные поля в обычной жизни имеют небольшую интенсивность. Они обладают высокой проникающей способностью. В результате проведения исследований магнитного поля – выявился биотропный фактор.
Магнитотерапия – воздействие в качестве магнитного фактора.
Магнитная буря оказывает негативное воздействие.
_______________________________________________________________________________________
№117. Возможные механизмы влияния геомагнитного поля на организм.
1) Если сильно заряженные частицы есть в веществе – происходит изменение траектории движения зарядов
2) Эффект Зимана: Под действием Магнитного Поля электронные уровни атома расщепляются на подуровни; слабые Магнитные Поля вызывают этот эффект у тех ионов, которые участвуют в метаболизме.
_______________________________________________________________________________________
Раздражители
По природе раздражители подразделяют на:
физические (звук, свет, температура, вибрация, осмотическое давление), особое значение для биологических систем имеют электрические раздражители;
химические (ионы, гормоны, нейромедиаторы, пептиды, ксенобиотики);
информационные (голосовые команды, условные знаки, условные стимулы).
По биологическому значению раздражители подразделяют на:
адекватные
– раздражители, для восприятия которых биологическая система имеет специальные приспособления;
неадекватные
– раздражители, не соответствующие природной специализации рецепторных клеток, на которые они действуют.
Раздражитель вызывает возбуждение только в том случае, если он достаточно силен. Порог возбуждения – минимальная сила раздражителя, достаточная для того, чтобы вызвать возбуждение клетки. Выражение «порог возбуждения» имеет несколько синонимов: порог раздражения, пороговая сила раздражителя, порог силы.
Возбуждение как активная реакция клетки на раздражитель
Реакция клетки на внешнее воздействие (раздражение) отличается от реакции небиологических систем следующими особенностями:
энергией для реакции клетки служит не энергия раздражителя, а энергия, образующаяся в результате метаболизма в самой биологической системе;
сила и форма реакции клетки не определяется силой и формой внешнего воздействия (если сила раздражителя выше пороговой).
В некоторых специализированных клетках реакция на раздражитель проявляется особенно интенсивно. Такую интенсивную реакцию называют возбуждением. Возбуждение – активная реакция специализированных (возбудимых) клеток на внешнее воздействие, проявляющаяся в том, что клетка начинает выполнять присущие ей специфические функции.
Возбудимая клетка может находиться в двух дискретных состояниях:
состоянии покоя (готовность к реагированию на внешнее воздействие, совершение внутренней работы);
состоянии возбуждения (активное выполнение специфических функций, совершение внешней работы).
В организме существует 3 типа возбудимых клеток:
нервные клетки (возбуждение проявляется генерацией электрического импульса);
мышечные клетки (возбуждение проявляется сокращением);
секреторные клетки (возбуждение проявляется выбросом в межклеточное пространство биологически активных веществ).
Возбудимость – способность клетки переходить из состояния покоя в состояние возбуждения при действии раздражителя. Разные клетки имеют различную возбудимость. Возбудимость одной и той же клетки меняется в зависимости от ее функционального состояния.
Возбудимая клетка в состоянии покоя
Мембрана возбудимой клетки поляризована. Это означает, что имеется постоянная разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью клеточной мембраны, которую называют мембранный потенциал (МП). В состоянии покоя величина МП составляет –60…–90 мВ (внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Значение МП клетки в состоянии покоя называют потенциалом покоя (ПП). МП клетки можно измерять, разместив один электрод внутри, а другой снаружи клетки (рис. 1 А) .
Уменьшение МП относительно его нормального уровня (ПП) называют деполяризацией , а увеличение – гиперполяризацией . Под реполяризацией понимают восстановление исходного уровня МП после его изменения (см. рис. 1 Б).
Электрические и физиологические проявления возбуждения
Рассмотрим различные проявления возбуждения на примере раздражения клетки электрическим током (рис. 2).
При действии слабых (подпороговых) импульсов электрического тока в клетке развивается электротонический потенциал. Электротонический потенциал (ЭП) – сдвиг мембранного потенциала клетки, вызываемый действием постоянного электрического тока . ЭП есть пассивная реакция клетки на электрический раздражитель; состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом не изменяется. ЭП не проявляется физиологической реакцией клетки. Поэтому ЭП не является возбуждением.
При действии более сильного подпорогового тока возникает более пролонгированный сдвиг МП – локальный ответ. Локальный ответ (ЛО) – активная реакция клетки на электрический раздражитель, однако состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом изменяется незначительно. ЛО не проявляется заметной физиологической реакцией клетки. ЛО называют местным возбуждением , так как это возбуждение не распространяется по мембранам возбудимых клеток.
При действии порогового и сверхпорогового тока в клетке развивается потенциал действия (ПД). ПД характеризуется тем, что значение МП клетки очень быстро уменьшается до 0 (деполяризация), а затем мембранный потенциал приобретает положительное значение (+20…+30 мВ), т. е. внутренняя сторона мембраны заряжается положительно относительно наружной. Затем значение МП быстро возвращается к исходному уровню. Сильная деполяризация клеточной мембраны во время ПД приводит к развитию физиологических проявлений возбуждения (сокращение, секреция и др.). ПД называют распространяющимся возбуждением , поскольку, возникнув в одном участке мембраны, он быстро распространяется во все стороны.
Механизм развития ПД практически одинаков для всех возбудимых клеток. Механизм сопряжения электрических и физиологических проявлений возбуждения различен для разных типов возбудимых клеток (сопряжение возбуждения и сокращения, сопряжение возбуждения и секреции).
Устройство клеточной мембраны возбудимой клетки
В механизмах развития возбуждения участвуют 4 вида ионов: K+ , Na+ , Ca++ , Cl – (ионы Ca++ участвуют в процессах возбуждения некоторых клеток, например кардиомиоцитов, а ионы Cl – важны для развития торможения). Мембрана клетки, представляющая собой липидный бислой, непроницаема для этих ионов. В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы.
Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты
Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl –).
В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:
концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.
Ионные каналы
Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).
Неселективные каналы
пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;
всегда находятся в открытом состоянии.
Селективные каналы
обладают следующими свойствами:
пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.
Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром , который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.
Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма , который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.
В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт) (рис. 3). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.
В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:
хемочувствительные каналы
– сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;
потенциалчувствительные каналы
– сигналом к открытию активационных ворот является снижение МП (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации
(КУД).
Механизм формирования потенциала покоя
Мембранный потенциал покоя образуется главным образом благодаря выходу К+ из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.
Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+ , называют «равновесным калиевым потенциалом» (Ек ). Его можно рассчитать по равнению Нернста
где R
– универсальная газовая постоянная,
Т
– температура (по Кельвину),
F
– число Фарадея,
[К+] нар – концентрация ионов К+ снаружи клетки,
[К+] вн – концентрация ионов К+ внутри клетки.
ПП, как правило, очень близок к Ек, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:
поступление в клетку Na+ и Cl– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na+ – дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl– и Na + в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К+ ;
прямой электрогенный эффект Na+ /К+ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (количество переносимых в клетку ионов K+ не равно количеству выносимых из клетки ионов Na+).
Механизм развития потенциала действия
В потенциале действия выделяют несколько фаз (рис. 4):
фаза деполяризации;
фаза быстрой реполяризации;
фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);
фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).
Фаза деполяризации . Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na+-каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации . В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+ -каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.
Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+ / K+ помпы.
Овершут – период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение.
Пороговый потенциал – разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации. Величина порогового потенциала определяет возбудимость клетки – чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.
Изменение возбудимости клетки при развитии возбуждения
Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки (см. рис. 4).
Супернормальная возбудимость (экзальтация ) – состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.
Абсолютная рефрактерность – состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный, раздражитель не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na+ -каналы уже находятся в открытом состоянии.
Относительная рефрактерность – состояние, в котором возбудимость клетки значительно ниже нормальной; только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.
Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.
В нервных волокнах сигналы передаются с помощью потенциалов действия, которые представляют собой быстрые изменения мембранного потенциала, быстро распространяющиеся вдоль мембраны нервного волокна. Каждый потенциал действия начинается со стремительного сдвига потенциала покоя от нормального отрицательного значения до положительной величины, затем он почти так же быстро возвращается к отрицательному потенциалу. При проведении нервного сигнала потенциал действия движется вдоль нервного волокна вплоть до его окончания.
На рисунке показаны изменения, возникающие на мембране во время потенциала действия, с переносом положительных зарядов внутрь волокна вначале и возвращением положительных зарядов наружу в конце. В нижней части рисунка графически представлены последовательные изменения мембранного потенциала в течение нескольких 1/10000 сек, иллюстрирующие взрывное начало потенциала действия и почти столь же быстрое восстановление.
Стадия покоя . Эта стадия представлена мембранным потенциалом покоя, который предшествует потенциалу действия. Мембрана во время этой стадии поляризована в связи с наличием отрицательного мембранного потенциала, равного -90 мВ.
Фаза деполяризации . В это время мембрана внезапно становится высокопроницаемой для ионов натрия, позволяя огромному числу положительно заряженных ионов натрия диффундировать внутрь аксона. Нормальное поляризованное состояние в -90 мВ немедленно нейтрализуется поступающими внутрь положительно заряженными ионами натрия, в результате потенциал стремительно нарастает в положительном направлении. Этот процесс называют деполяризацией, В крупных нервных волокнах значительный избыток входящих внутрь положительных ионов натрия обычно приводит к тому, что мембранный потенциал «проскакивает» за пределы нулевого уровня, становясь слегка положительным. В некоторых более мелких волокнах, как и в большинстве нейронов центральной нервной системы, потенциал достигает нулевого уровня, не «перескакивая» его.
Фаза реполяризации . В течение нескольких долей миллисекунды после резкого повышения проницаемости мембраны для ионов натрия, натриевые каналы начинают закрываться, а калиевые - открываться. В результате быстрая диффузия ионов калия наружу восстанавливает нормальный отрицательный мембранный потенциал покоя. Этот процесс называют реполя-ризацией мембраны.
Временной ход потенциала действия в нейроне ; показаны последовательные фазы потенциала действия, описанные в тексте.Для более полного понимания факторов , являющихся причиной деполяризации и реполяризации, необходимо изучить особенности двух других типов транспортных каналов в мембране нервного волокна: электроуправляемых натриевых и калиевых каналов.
Электроупавляемые натриевые и калиевые каналы . Необходимым участником процессов деполяризации и реполяризации во время развития потенциала действия в мембране нервного волокна является электроуправляемый натриевый канал. Электроуправляемый калиевый канал также играет важную роль в увеличении скорости реполяризации мембраны. Оба типа электроуправляемых каналов существуют дополнительно к Na + /K + -насосу и каналам К + /Na + -утечки.
Электроуправляемый натриевый канал . В верхней части рисунка показан электроуправляемый натриевый канал в трех различных состояниях. Этот канал имеет двое ворот: одни вблизи наружной части канала, которые называют активационными воротами, другие - у внутренней части канала, которые называют инактивационными воротами. В верхней левой части рисунка изображено состояние этих ворот в покое, когда мембранный потенциал покоя равен -90 мВ. В этих условиях активационные ворота закрыты и препятствуют поступлению ионов натрия внутрь волокна.
Активация натриевого канала . Когда мембранный потенциал покоя смещается в направлении менее отрицательных значений, поднимаясь от -90 мВ в сторону нуля, на определенном уровне (обычно между -70 и -50 мВ) происходит внезапное конформационное изменение актива-ционных ворот, в результате они переходят в полностью открытое состояние. Это состояние называют активированным состоянием канала, при котором ионы натрия могут свободно входить через него внутрь волокна; при этом натриевая проницаемость мембраны возрастает в диапазоне от 500 до 5000 раз.
Инактивация натриевого канала . В верхней правой части рисунке показано третье состояние натриевого канала. Увеличение потенциала, открывающее активационные ворота, закрывает инактивационные ворота. Однако инактивационные ворота закрываются в течение нескольких десятых долей миллисекунды после открытия активационных ворот. Это значит, что конформационное изменение, приводящее к закрытию инактивационных ворот, - процесс более медленный, чем конформационное изменение, открывающее активационные ворота. В результате через несколько десятых долей миллисекунды после открытия натриевого канала инактивационные ворота закрываются, и ионы натрия не могут более проникать внутрь волокна. С этого момента мембранный потенциал начинает возвращаться к уровню покоя, т.е. начинается процесс реполяризации.
Существует другая важная характеристикая процесса инактивации натриевого канала : инактивационные ворота не открываются повторно до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к значению, равному или близкому к уровню исходного потенциала покоя. В связи с этим повторное открытие натриевых каналов обычно невозможно без предварительной реполяризации нервного волокна.
Потенциал действия клетки рабочего миокарда
.
Быстрое развитие деполяризации и продолжительная реполяризация. Замедленная реполяризация (плато) переходит в быструю реполяризацию.
Вернуться в оглавление раздела "
Работа органов и тканей нашего организма зависит от многих факторов. Некоторые клетки (кардиомиоциты и нервы) зависят от передачи нервных импульсов, генерируемых в специальных компонентах клеток или узлах. В основе лежит образование специфической волны возбуждения, носящей название потенциала действия.
Что это такое?
Потенциалом действия принято называть волну возбуждения, передвигающуюся от клетки к клетке. За счет ее образования и прохождения через происходит кратковременное изменение их заряда (в норме внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а наружная - положительно). Образованная волна способствует изменению свойств ионных каналов клетки, что приводит к перезарядке мембраны. В тот момент, когда потенциал действия проходит через мембрану, происходит кратковременное изменение ее заряда, что приводит к изменению свойств клетки.
Образование данной волны лежит в основе функционирования а также системы путей проведения сердца.
При нарушении его образования развиваются многие заболевания, что делает определение потенциала действия необходимым в комплексе лечебно-диагностических мероприятий.
Как же образуется потенциал действия и что для него характерно?
История исследования
Изучение возникновения возбуждения в клетках и волокнах было начато довольно давно. Первыми его возникновение заметили биологи, изучавшие воздействие различных раздражителей на оголенный берцовый нерв лягушки. Ими было замечено, что при воздействии на него концентрированным раствором пищевой соли наблюдалось сокращение мышц.
В дальнейшем исследования были продолжены неврологами, однако основная наука после физики, изучающая потенциал действия - физиология. Именно физиологами было доказано наличие потенциала действия в клетках сердца и нервах.
По мере углубления в изучение потенциалов было доказано наличие и потенциала покоя.
С начала 19 века начали создаваться методы, позволяющие зафиксировать наличие данных потенциалов и измерить их величину. В настоящее время фиксация и изучение потенциалов действия проводится в двух инструментальных исследованиях - снятии электрокардиограмм и электроэнцефалограмм.
Механизм потенциала действия
Образование возбуждения происходит за счет изменения внутриклеточной концентрации ионов натрия и калия. В норме в клетке содержится больше калия, чем натрия. Внеклеточная концентрация ионов натрия значительно больше, чем в цитоплазме. Изменения, вызываемые потенциалом действия, способствуют изменению заряда на мембране, в результате чего обуславливается ток ионов натрия внутрь клетки. Из-за этого изменяются заряды снаружи и внутри заряжается положительно, а внешняя среда - отрицательно.
Это делается для облегчения прохождения волны по клетке.
После того как волна была передана через синапс, происходит обратное восстановление заряда за счет тока внутрь клетки отрицательно заряженных ионов хлора. Восстанавливаются исходные уровни заряда снаружи и внутри клетки, что приводит к образованию потенциала покоя.
Периоды покоя и возбуждения чередуются. В патологической клетке все может происходить иначе, и образование ПД там будет подчиняться несколько иным законам.
Фазы ПД
Течение потенциала действия можно разделить на несколько фаз.
Первая фаза протекает до образования (проходящим потенциалом действия стимулируется медленная разрядка мембраны, которая достигает максимального уровня, обычно он составляет около -90 мЭв). Данная фаза носит название предспайк. Осуществляется за счет входа в клетку ионов натрия.
Следующая фаза - пиковый потенциал (или спайк), образует параболу с острым углом, где восходящая часть потенциала означает деполяризацию мембраны (быстрая), а нисходящая часть - реполяризацию.
Третья фаза - отрицательный следовый потенциал - показывает следовую деполяризацию (переход от пика деполяризации до состояния покоя). Обусловлена входом ионов хлора внутрь клетки.
На четвертом этапе, фазе положительного следового потенциала, происходит возврат уровней заряда мембраны к исходному.
Данные фазы, обусловленные потенциалом действия, строго следуют одна за одной.
Функции потенциала действия
Несомненно, развитие потенциала действия имеет важное значение в функционировании тех или иных клеток. В работе сердца возбуждению принадлежит главная роль. Без него сердце было бы просто неактивным органом, но за счет распространения волны по всем клеткам сердца происходит его сокращение, что способствует проталкиванию крови по сосудистому руслу, обогащению ею всех тканей и органов.
Также не могла бы нормально выполнять свою функцию без потенциала действия. Органы не могли бы получать сигналы к выполнению той или иной функции, в результате чего были бы просто бесполезными. Кроме того, совершенствование передачи нервного импульса в нервных волокнах (появление миелина и перехватов Ранвье) позволило передавать сигнал за считаные доли секунды, что и обусловило развитие рефлексов и сознательных движений.
Кроме данных систем органов, потенциал действия образуется и во многих других клетках, однако в них он играет роль лишь в выполнении клеткой своих специфических функций.
Возникновение потенциала действия в сердце
Основным органом, работа которого основана на принципе образования потенциала действия, является сердце. За счет существования узлов образования импульсов осуществляется работа данного органа, функция которого заключается в доставке крови к тканям и органам.
Генерация потенциала действия в сердце происходит в синусовом узле. Он находится в месте впадения полых вен в правом предсердии. Оттуда импульс распространяется по волокнам проводящей системы сердца - от узла к атриовентрикулярному соединению. Проходя по точнее, по его ножкам, импульс проходит к правому и левому желудочку. В их толще расположены более мелкие пути проведения - волокна Пуркинье, по которым возбуждение доходит до каждой клетки сердца.
Потенциал действия кардиомиоцитов является составным, т.е. зависит от сокращения всех клеток сердечной ткани. При наличии блока (рубец после инфаркта) образование потенциала действия нарушается, что фиксируется на электрокардиограмме.
Нервная система
Как же образуется ПД в нейронах - клетках нервной системы. Тут все осуществляется несколько проще.
Внешний импульс воспринимается отростками нервных клеток - дендритами, связанными с рецепторами, расположенными как в коже, так и во всех других тканях (потенциал покоя и потенциал действия также сменяют друг друга). Раздражение провоцирует образование потенциала действия в них, после чего импульс через тело нервной клетки идет в ее длинный отросток - аксон, а от него через синапсы - к другим клеткам. Таким образом, образованная волна возбуждения доходит до головного мозга.
Особенностью нервной системы является наличие двух типов волокон - покрытых миелином и без него. Возникновение потенциала действия и его передача в тех волокнах, где есть миелин, осуществляется значительно быстрее, чем в демиелинезированных.
Данный феномен наблюдается из-за того, что распространение ПД по миелинизированным волокнам происходит за счет “прыжков” - импульс перескакивает участки миелина, что в результате уменьшает его путь и, соответственно, ускоряет распространение.
Потенциал покоя
Без развития потенциала покоя не было бы и потенциала действия. Под потенциалом покоя понимают нормальное, невозбужденное состояние клетки, при котором заряды внутри и вне ее мембраны значительно отличаются (то есть снаружи мембрана заряжена положительно, а внутри - отрицательно). Потенциал покоя показывает разницу между зарядами внутри и извне клетки. Обычно в норме он составляет от -50 до -110 мЭв. В нервных волокнах данная величина обычно равна -70 мЭв.
Обусловлен он миграцией ионов хлора внутрь клетки и созданием негативного заряда на внутренней стороне мембраны.
При смене концентрации внутриклеточных ионов (как было указано выше) ПП сменяет ПД.
В норме все клетки организма находятся в невозбужденном состоянии, поэтому смену потенциалов можно считать физиологически необходимым процессом, так как без них не могли бы осуществлять свою деятельность сердечно-сосудистая и нервная системы.
Значимость исследования потенциалов покоя и действия
Потенциал покоя и потенциал действия позволяют определить состояние организма, а также отдельных органов.
Фиксация потенциала действия с сердца (электрокардиография) позволяет определить его состояние, а также функциональную способность всех его отделов. Если изучать нормальную ЭКГ, то можно заметить, что все зубцы на ней есть проявление потенциала действия и последующего потенциала покоя (соответственно, возникновение данных потенциалов в предсердиях отображает зубец Р, а распространение возбуждения в желудочках - зубец R).
Что касаемо электроэнцефалограммы, то на ней возникновение различных волн и ритмов (в частности, альфа и бета-волн у здорового человека) также обусловлено возникновением потенциалов действия в нейронах головного мозга.
Данные исследования позволяют своевременно выявить развитие того или иного патологического процесса и обуславливают практически до 50 процентов успешного лечения исходного заболевания.
Форма потенциала действия позволяет разделить процесс его генерации на несколько фаз: предспайк, быстрая деполяризация, реполяризация и следовые потенциалы (рис. 2.3).
Рис. 2.3.
Предспайк - это процесс медленной деполяризации мембраны, который начинается с первого отклонения от потенциала покоя и заканчивается достижением КУД. Предспайк включает пассивную деполяризацию мембраны и активный локальный ответ. Активный ответ возникает, когда пассивная деполяризация мембраны достигает 70-80% от значений КУД и является первым проявлением начинающегося активного состояния мембраны - началом ее возбуждения. Благодаря пассивной деполяризации и локальному активному ответу сдвиг потенциала на мембране достигает критического уровня деполяризации, при котором и развивается собственно ПД.
Фаза быстрой (лавинообразной) деполяризации мембраны является первой фазой ПД. На этой стадии мембранный потенциал быстро сдвигается от критического уровня деполяризации до нуля и продолжает смещаться вплоть до пика Г1Д, перезаряжая мембрану. Во время первой фазы ПД потенциал на мембране «извращается», т.е. мембрана разряжается до нуля и перезаряжается с противоположным знаком. Участок ПД со значениями от нуля до пика перезарядки носит название овершут (англ, overshoot) потенциала. Вместо отрицательных значений потенциал на мембране становится положительным. У гигантского аксона кальмара пик ПД достигает значений порядка +50 мВ, а фаза деполяризации с овер- шутом длится порядка 0,5 мс.
Фаза реполяризации является второй фазой ПД. Во время этой фазы значение потенциала на мембране возвращается к исходному значению, т.е. к потенциалу покоя. Эта фаза может быть подразделена на быструю реполяризацию от +50 мВ до 0 В и более медленную реполяризацию - от 0 В до КУД и далее до потенциала покоя. Фаза реполяризации занимает 1-2 мс.
Следовые потенциалы могут в ряде случаев развиваться в конце ПД в виде медленной деполяризации или даже медленной гиперполяризации. Следовая гиперполяризация наблюдается, в частности, на мембране гигантского аксона кальмара.
Ионная природа фаз потенциала действия была изучена в ходе экспериментов на гигантских аксонах кальмара Ходжкиным и Хаксли. Выяснилось, что в момент генерации ПД электрическое сопротивление мембраны аксона на период 1-2 мс снижается в 20-30 раз, г.е. резко возрастает проводимость мембраны, и через мембрану начинает протекать ток. Но какой это ток? Оказалось, что если удалить катионы Na + из наружного раствора и заменить их на сахарозу, то амплитуда потенциала действия резко уменьшается либо ПД вообще не возникает. Это позволило сделать заключение, что главной причиной генерации ПД и перезарядки мембраны до положительных значений является возникновение высокой проницаемости мембраны к катионам натрия и быстрый вход этих катионов внутрь клетки.
Движение натрия внутрь происходит под действием двух сил. Первая сила связана с наличием трансмембранного концентрационного градиента катионов натрия. Концентрация натрия в наружном растворе в 20-30 раз больше, чем внутри, т.е. концентрационный градиент для Na + направлен внутрь клетки, и при наличии достаточной проницаемости катионы натрия будут быстро входить в клетку. Вторая сила связана с наличием большого отрицательного заряда на внутренней стороне мембраны (порядка -70 мВ). Отрицательный заряд на внутренней стороне мембраны будет способствовать входу положительно заряженных катионов натрия в клетку. Входя, катионы натрия будут сначала стремительно уменьшать отрицательный заряд мембраны до нуля, а потом перезаряжать мембрану до положительных значений, приближая величину мембранного потенциала к равновесному потенциалу для Na + . Напомним, что равновесный потенциал для катионов Na" может быть рассчитан по уравнению Нернста и составляет для гигантского аксона кальмара +55 мВ.
В пользу участия входящего натриевого тока в создании деполяриза- ционной фазы ПД свидетельствуют результаты экспериментов с тетродо- токсином - блокатором потенциал-зависимой натриевой проницаемости. Тетродотоксин способен полностью блокировать развитие Г1Д (рис. 2.4, а).
Рис. 2.4. Изменения ПД, возникающие при действии на мембрану избирательных блокаторов натриевой проницаемости - тетродотоксина (я) или калиевой проницаемости - тетраэгиламмония (б)
Таким образом, натриевая гипотеза удовлетворительно объясняет развитие деполяризационной фазы ПД, но оставляет открытым вопрос о причинах рсиоляризации, т.е. фазы ПД, приводящей к возврату мембранного потенциала к уровню потенциала покоя. Было высказано предположение, что на мембране развивается еще один процесс - возрастает ее проницаемость к ионам калия. Было ясно, что это - особая активная калиевая проницаемость, отличающаяся от пассивной калиевой проницаемости, существующей у мембраны в покое (пассивной калиевой утечки). Дополнительная калиевая проницаемость мембраны возникает только в ответ на деполяризацию мембраны до критического уровня, причем с небольшим запаздыванием по сравнению с увеличением натриевой проницаемости. В случае возникновения такой дополнительной активной проницаемости к калию катионы К* начинают выходить из клетки под действием концентрационного градиента и заряда на мембране, созданного опережающим входом катионов натрия. Входящие катионы Na + заряжают внутреннюю сторону мембраны положительно, а наружную - отрицательно. Дополнительный выходящий ток катионов калия будет уменьшать созданный натриевым током положительный заряд внутри клетки и возвращать электрический заряд па мембране к исходным значениям, т.е. к потенциалу покоя.
В пользу участия выходящего калиевого тока в создании реполяризаци- онной фазы ПД свидетельствовали результаты экспериментов с использованием блокатора активной калиевой проницаемости - тетраэтиламмония. Тетраэтиламмоний резко замедляет протекание фазы реполяризации ПД (рис. 2.4, б).
Если ПД является результатом появления и развития на мембране двух новых ионных токов, которых не было в покое, а именно токов натрия и калия, то, следовательно, при деполяризации на мембране открываются новые потенциал-активируемые ионные каналы. Эти каналы проводят сначала натрий, а затем - калий. Свойства таких каналов можно понять, анализируя развитие токов, которые возникают при их работе. Но эти токи надо регистрировать «в чистом виде», т.е. не осложненные одновременными изменениями потенциала на мембране и емкостными токами мембраны. Для этого Ходжкиным и Хаксли в их экспериментах на гигантских аксонах кальмара впервые был использован метод фиксации потенциала на мембране (англ, voltage-clamp).
Метод фиксации потенциала на мембране заключается в подключении к мембране аксона системы двух усилителей. Один усилитель предназначен для регистрации сдвигов мембранного потенциала, второй работает по принципу отрицательной обратной связи. В аксон вводятся два проволочных микроэлектрода. Один из них измеряет сдвиги мембранного потенциала и передает их на усилитель с отрицательной обратной связью. Этот усилитель (отслеживающий сдвиги потенциала на мембране и генерирующий токи) на выходе соединяют со вторым внутриклеточным микроэлектродом - токовым. Через этот микроэлектрод будет подаваться ток, который можно измерять во внешней цепи индифферентного электрода, расположенного снаружи аксона.
Если теперь искусственно деполяризовать мембрану до КУД, то в ответ через возбужденную мембрану начинают течь потенциал-активируемые токи: натриевый и калиевый. Создаваемые этими токами сдвиги мембранного потенциала мгновенно отслеживаются при помощи усилителя обратной связи, посылающего через токовый микроэлектрод равные по амплитуде, но противоположно направленные токи, - возникает обратная связь. Такие «токи фиксации» удерживают (фиксируют) мембрану от сдвигов потенциала и являются, по существу, зеркальным отражением Na + - и К + -токов. Токи фиксации могут быть легко измерены во внешней цепи схемы (рис. 2.5).
Рис. 2.5.
(voltage-clamp ):
при помощи усилителя обратной связи токовый электрод пропускает ток фиксации, являющийся зеркальным отражением трансмембранных токов
На рис. 2.6 приведены данные, полученные с применением метода фиксации потенциала. При деполяризации мембраны от -65 до -9 мВ мембрана возбуждается, что сопровождается генерацией двухфазного тока. Видно, что сначала возникает быстрый входящий ток, который затухает и сменяется на более медленно развивающийся выходящий ток. Оказалось, что входящий ток можно полностью заблокировать с помощью тетродоток- сина - избирательного блокатора потенциал-зависимых натриевых каналов. Из этого следует, что входящий ток - натриевый ток.
Выходящий ток, также возникавший в ответ на деполяризацию, при этом сохраняется и выявляется в чистом виде. Этот ток развивается с небольшой задержкой, нарастает медленнее, но зато не затухает и сохраняется в течение всего времени деполяризации. Он полностью блокируется блокатором потенциал-активируемых калиевых каналов тетраэтилам- монием и, следовательно, представляет собой потенциал-активирусмый К + -ток. Таким образом, с помощью метода фиксации потенциала и использования избирательных блокаторов натриевого и калиевого токов удалось разделить и выявить по отдельности два тока, возникающих при генерации ПД, показать их независимость друг от друга и проанализировать каждый из них.
Рис. 2.6.
а - смещение мембранного потенциала на 56 мВ и фиксация его на уровне -9 мВ;
6 - двухфазный (ранний входящий и поздний выходящий) ток в ответ на фиксацию потенциала на уровне -9 мВ; в - фармакологическое разделение двух токов с помощью блокаторов натриевой (тетродотоксин) и калиевой (тетраэтиламмоний)
