Лекция 1. Подходы к управлению риском

Классификация раздражителей

- механические - ушибы, переломы, порезы и др.,

- химические - кислоты, щелочи, спирты и др.,

- физические - электрический ток, световые лучи, звук, температура и др.,

- биологические - токсические вещества, выделяемые микроорганизмами, простейшими и др.

По физиологическому признаку раздражители могут быть адекватными и неадекватными.

Адекватные - воздействуют на возбудимые системы в естественных условиях существования организма, к которым данная ткань приспособилась в процессе эволюции и может отвечать на самое минимальное их воздействие. Например, адекватным раздражителем для фоторецепторов сетчатки глаза является свет, для уха - звук и т.д.

Неадекватные раздражители в естественных условиях существования организма не воздействуют на возбудимые структуры. К ним данная ткань не приспосабливается в процессе развития. Однако, при достаточной силе и продолжительности их действия они могут вызывать ответную реакцию со стороны возбудимых тканей (механическое воздействие на глаз). В условиях физиологического эксперимента в качестве раздражителя чаще всего используют электрический ток, который имеет ряд преимуществ перед другими:

- по своей природе он близок к естественному раздражителю (потенциалу действия),

- его легко дозировать,

- при определенной дозе воздействия он не вызывает необратимых изменений в тканях,

- его можно быстро включать и отключать.

По своей силе раздражители могут быть: 1) подпороговые, 2) пороговые, 3) надпороговые.

Подпороговые раздражители - такие, которые при действии на ткань не вызывают видимых изменений (эффектов), но сопровождаются определенными физико-химическими сдвигами. Однако, степень их изменений недостаточна для возникновения распространяющегося возбуждения.

Пороговые раздражители - это такие раздражители, при действии которых на ткань наблюдается минимальная видимая ответная реакция.

Надпороговые раздражители - такие раздражители, которые при воздействии на ткань вызывают эффект больше минимального.

Величина любой ответной реакции определяется не только силой раздражителя, но в большей степени в естественных условиях существования организма частотой раздражителя, т. к. амплитуда потенциала действия практически одинакова. Поэтому, по частотной характеристике раздражители могут быть также подпороговые, пороговые и надпороговые.

Законы раздражения.

Итак, определенные ткани обладают свойством “возбудимость”. Возникает вопрос: “По каким показателям или параметрам оценивается это свойство?”.

Прежде всего, к показателям возбудимости относятся сила и частота раздражителя (первый закон раздражения). Исследования свидетельствуют, что возбудимость, сила и частота раздражителя находятся в обратной зависимости, т. е. чем возбудимее ткань, тем меньший по силе и частоте раздражитель нужно применить, и, чем меньше возбудимость, тем больший по силе и частоте требуется раздражитель. Возбудимость принято оценивать по порогу силы и частоте раздражителя, которая также находится в обратных соотношениях с возбудимостью.

Вторым показателем возбудимости является продолжительность или длительность действия раздражителя (второй закон раздражимости). До начала ХХ века время действия раздражителя не использовалось как показатель возбудимости, т. к. величина ответной реакции не зависела от времени его воздействия на ткань. В начале ХХ века появились приборы, которые позволили действовать раздражителем короткими интервалами по времени (менее одной миллисекунды), что позволило исследователям выявить следующую закономерность между силой раздражителя и продолжительностью его действия. Выявилась обратная зависимость: чем сильнее применялся раздражитель, тем требовалось меньше затратить времени, чтобы получить минимальный эффект, и наоборот, чем слабее раздражитель, тем продолжительность его воздействия должна быть длительнее. Впервые эту закономерность получили ученые Гоорвег и Вейс и представили в виде графика (рис. 2.1.). Как свидетельствует кривая, если подавать раздражитель более 1 мс, то наблюдается параллельно идущая оси ординат линия, свидетельствующая о независимости продолжительности действия раздражители от его силы (бесполезное время). Если же применять раздражитель менее 1 мс, то наблюдается обратная зависимость силы раздражителя от времени его воздействия (полезное время). Например, раздражитель в одну пороговую силу (одну реобазу), чтобы вызвать минимальный эффект, должен действовать одну мс, а раздражитель силой в два порога, чтобы вызвать такой же эффект должен действовать всего 0,1 мс (!). В связи с получением этой закономерности в физиологию и было введено понятие полезного времени. Таким образом, полезное время - это минимальное время, в течение которого раздражитель в одну пороговую силу вызывает минимальный эффект. Именно, в течение полезного времени и наблюдается обратная зависимость между силой раздражителя и продолжительностью его действия.

Однако, практически пользоваться полезным временем как показателем возбудимости оказалось сложным и в 1901 году ученый Лапик вместо полезного времени предложил использовать хронаксию. Хронаксия - это минимальное время, в течение которого раздражитель силой в два порога вызывает минимальный эффект. Преимущество хронаксии по сравнению с полезным временем заключается в том, что используется раздражитель максимальной силы, который остается постоянным (его не надо менять, как это делается при использовании полезного времени). В этом случае меняется только время действия раздражителя. Возникает вопрос почему используется две реобазы, а не больше? Кривая Гоорвега-Вейса свидетельствует о том, что при действии раздражителя большей силы невозможно получить порогового эффекта.

Хронаксия часто используется невропатологами в случае патологических состояний мышечной или нервной системы в диагностических целях. Они, как правило, определяют не хронаксию, а вычерчивают кривую силы и длительности раздражителя. Для этой цели используются приборы хронаксиметры. Значение хронаксии для возбудимых тканей (мышцы и нервы) в норме колеблется в пределах 0,12-0,7 мс.

Как показали исследования Дюбуа-Реймона, при использовании электрического тока в качестве раздражителя следует учитывать крутизну (скорость) нарастания силы тока (третий закон раздражения). Чем быстрее нарастает ток, тем он эффективнее. Поэтому в эксперименте чаще используется постоянный ток, имеющий прямоугольную форму нарастания, в отличие от индукционного тока, который нарастает медленно вследствие возникновения противотоков. Если сила раздражителя нарастает постепенно (любые раздражители), то в тканях развивается процесс аккомодации или приспособления к действию раздражителя. Например, если постепенно нагревать сосуд с водой, в котором находится лягушка, то она не выскочит из воды и может свариться. Известно, что увеличение в помещении концентрации какого-либо пахнущего вещества не ощущается присутствующими, в то время как вновь приходящие в это помещение сразу улавливают запах.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТКАНЯХ (ЭЛЕКТРОГЕНЕЗ)

История открытия электрических явлений в тканях связана с работами известного физика Луиджи Гальвани (1791-1797 гг.). В результате его исследований был опубликован трактат “Животное электричество”, в котором Гальвани предполагал о том, что в живых тканях образуется электричество или биопотенциалы. В основу этого вывода были положены результаты двух опытов, которые вошли в классическую физиологию как первый и второй опыты Гальвани.

Опыт первый. Гальвани в своих исследованиях использовал лягушек, подвешивая их на медных крючках к железным перилам балкона (балконный опыт). При этом, когда тушки лягушек, раскачиваясь под влиянием ветра и касались железных перил балкона, то наблюдалось сокращение лапок. На основании этого опыта Гальвани пришел к выводу, что сокращение мышц лапок связано с животным электричеством, возникающим в спинном мозге и проходящим по металлическим частям - крючку и перилам балкона (рис. 2.2.).

Живший в то время не менее известный ученый-физик Вольта возразил высказываниям Гальвани и предположил, что дело не в “животном электричестве”, а в том, что разность потенциалов обусловлена сплавом различных металлов - железа и меди, которая и раздражает мышцы. Гальвани был убежден в своем предположении о наличии биопотенциалов в тканях и провел новый опыт без участия металлов (второй опыт Гальвани). Этот опыт (рис. 2.3.) заключался в следующем: бралась лапка лягушки с отпрепарированным седалищным нервом, затем нерв при помощи стеклянной палочки резко набрасывался на мышцу, в результате соприкосновения нерва с мышцей мышца сокращалась (второй опыт Гальвани). Если на мышце сделать повреждение и набрасывать на это место нерв, то она будет сокращаться еще сильнее. Отсюда следует, что сама ткань способна генерировать электричество.

В 1837 году ученый Маттеучи подтвердил высказывания Гальвани о наличии электричества в тканях опытом вторичного сокращения. Сущность опыта заключалась в том, что брались два нервно-мышечных препарата лягушки и нерв второго препарата набрасывался на мышцу первого (рис. 2.4.). При раздражении электрическим током нерва первого нервно-мышечного препарата сокращались мышцы второго. На основании этих экспериментов Маттеучи приходит к выводу, что токи действия, возникающие при возбуждении первого нервно-мышечного препарата, раздражают нерв второго нервно-мышечного препарата, в результате чего его мышцы сокращаются. После этих исследований многочисленные лаборатории стали заниматься выяснением механизмов возникновения в тканях электрических процессов.

Особо заслуживают внимания исследования немецкого электрофизиолога Бернштейна. В 1902 году на основании полученных экспериментальных данных Бернштейн выдвинул мембранную теорию возникновения биопотенциалов. Он впервые высказал предположение, что любая клетка покрыта оболочкой или мембраной, которая обладает избирательной проницаемостью для ионов калия. Благодаря этой избирательной проницаемости между наружной и внутренней частями мембраны создается ионная асимметрия, т. е. имеет место разная концентрация в цитоплазме и на поверхности клеток, что и обусловливает разность потенциалов. Таким образом, любая клетка, покрытая мембраной, способна генерировать потенциалы, которые носят ионную природу.

В последующем многие лаборатории мира стали заниматься изучением природы электрических явлений в тканях (Ходжкин, Хаксли, Окс, Кац и др.) и в начале 50-х годов на основании полученных данных была предложена мембранно-ионная теория, позволившая выяснить электрогенез в тканях.

Чтобы раскрыть сущность этой теории, следует остановиться на строении мембран. Методом электронной микроскопии было показано, что действительно клетка возбудимых тканей покрыта мембраной, представляющей собой высокоорганизованную структуру, построенную главным образом из белков и липидов.

Мембрана представляет собой плоскую структуру толщиной 7-10 нм. Мембраны могут быть однослойные, двухслойные и трехслойные. Если мембрана трехслойная, то наружная ее часть состоит из углеводов, внутренняя – из белков, а среднюю (основа для любой мембраны) образует двойной слой липидов. Если мембрана однослойная, то она состоит только из бислоя липидов. Липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами фосфолипидов, гликолипидов и холестерина, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. Мембраны пронизаны мельчайшими каналами, которые образуют ее транспортную систему (диаметр каналов колеблется в пределах 0,3-0,9 нм). Во время возбуждения диаметр каналов может увеличиваться на 0,1 нм. Плотность каналов на мембранах различных клеток колеблется от 12 до 500 на 1 мкм². А в перехватах Ранвье их обычно больше – до 1200 на 1 мкм². В зависимости от того, какие ионы пропускает канал, различают натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные и сбросовые каналы. По скорости пропускания ионов каналы могут быть быстрыми и медленными, т. е. обладающие разной скоростью пропускания ионов (или проницаемостью для ионов). Избирательность к виду пропускаемых ионов у некоторых каналов различна: она выражена у К⁺-каналов. Есть каналы, не обладающие избирательностью и способные пропускать разные ионы. Структура стенки любого канала представлена многочисленными элементами, включающим в себя дискретные белки-ферменты, способные конформироваться.

Основными элементами канала являются: 1) селективный фильтр, расположенный в начале канала, в узкой его части, определяющий относительную избирательность канала. Обычно он представлен ионами СОО^-; 2) сенсор напряжения, улавливающий величину мембранного потенциала в электровозбудимых каналах, а в хемовозбудимых каналах - концентрацию передатчика нервного возбуждения в синапсах (медиатора); 3) активационная и инактивационная системы, представленные воротами, имеющими белковые микрозаслонки (рис. 2.5.).

Активационная и инактивационная системы связаны с сенсором напряжения, который является их регулятором. В различные периоды состояния мембраны ворота могут быть закрытыми или открытыми, что определяет наличие или отсутствие ионного тока, а их работа определяется по величине шумового эффекта, что зависит от величины воротного тока.

Каналы работают по принципу “все или ничего”: они либо открыты, либо закрыты. Скорость транспорта ионов в различных каналах может быть различной: есть каналы, пропускающие ионы медленно или, наоборот, быстро (медленные или быстрые диффузионные токи). Если срабатывает активационная система канала, то белковые заслонки под влиянием сенсора напряжения, конформируясь, открывают каналы, что обусловливает в них быстрый, лавинообразный ионный ток. Инактивационная система канала срабатывает в обратном направлении, т. е. прекращает ионный токи вследствие закрытия канала. Многие каналы имеют активационную систему, однако, инактивационная система в некоторых каналах отсутствует.

В покое любая мембрана находится в состоянии поляризации, т. е. имеет определенной величины заряд, который формируется следующим образом. Положительно заряженные ионы (К⁺, Nа⁺ и др.) легко проходят по каналам мембраны, а внутриклеточные отрицательные ионы (НСО^-, НРО^-, аминокислоты, некоторые белки и др.) как более крупные частицы, не могут пройти через транспортные системы мембраны. Подходя к внутренней поверхности мембраны, они электростатически удерживают на ее наружной поверхности положительно заряженные ионы, которые имеются в окружающей клетку среде. Таким образом создается поляризация мембраны.

Различают 2 вида потенциалов: потенциал покоя, когда ткань не возбуждена, и потенциал действия, который имеет место при возбуждении ткани. Разновидностью потенциала покоя является мембранный потенциал, который регистрируется на мембране клетки или нервного и мышечного волокна. Для регистрации мембранного потенциала и его изучения чаще всего используют аксон гигантской нервной клетки кальмара, который имеет довольно большой диаметр (около 1 мм) и в который нетрудно ввести микроэлектрод, представляющий собой стеклянную микропипетку с кончиком около 0,5 мкм, заполненную электролитом. Для регистрации мембранного потенциала на наружную поверхность мембраны накладывают обычный электрод, а микроэлектрод погружают в цитоплазму (рис. 2.6.). Электроды подсоединяются к прибору микровольтметру, регистрирующему величину мембранного потенциала. При погружении микроэлектрода в цитоплазму стрелка прибора отклоняется в сторону погруженного микроэлектрода и прибор показывает величину разности потенциалов. Полученная разность потенциалов называется мембранным потенциалом, который составляет 50-90 мВ.

Возникает вопрос, какова природа мембранного потенциала? В 1902 году известный немецкий нейрофизиолог Ю. Бернштейн высказал предположение, что причиной генерации мембранного потенциала является разная концентрация ионов К⁺ на поверхности мембраны и в цитоплазме (ионная асимметрия), обусловленная свойствами мембраны, которая создает емкостный потенциал (рис. 2.7.). Проведенные значительно позже исследования многочисленных исследователей показали, что Ю. Бернштейн прав. Оказалось, что концентрация ионов К⁺ в цитоплазме в 30-50 раз больше, чем на поверхности мембраны, а концентрация ионов Nа⁺ в 8-10 раз больше на ее наружной поверхности, чем в цитоплазме. Наблюдается также ионная асимметрия относительно ионов Сl^-. Так, количество этих ионов на наружной поверхности мембраны в 10-20 раз больше, чем в цитоплазме.

Доказать, что основной причиной мембранного потенциала является ионная асимметрия можно при помощи расчетной формулы Нернста. Этот потенциал имеет место потому, что ионы К⁺ стремятся покинуть клетку, чтобы уровнять внешнюю и внутреннюю концентрацию. Однако при этом в клетке остается избыток анионов, что создает отрицательный заряд, ограничивающий выравнивание концентрации ионов К⁺. Ионы хлора ведут себя противоположным образом, они должны остаться снаружи, чтобы сбалансировать заряд плохо проницаемого через мембрану Nа⁺, но в то же самое время стремятся войти в клетку по концентрационному градиенту.

Рассчитанное Е превышает (т. е. является более отрицательным) регистрируемую в опыте величину мембранного потенциала. Это происходит, видимо, потому что ионы Nа⁺ преодолевают мембрану клетки, во-первых, по направлению градиента концентрации, во-вторых, притягивания избыточным электрическим зарядом внутри клетки.

В нормальных условиях разность между расчетным и измеренным значениями мембранного потенциала составляет около 10 мВ.

Асимметрическая концентрационная ионная природа мембранного потенциала доказывается и экспериментальным путем. Так, если искусственным путем менять концентрацию ионов в цитоплазме или на наружной поверхности ее, то мембранный потенциал будет также меняться. Например, если увеличивать концентрацию ионов Nа⁺ в цитоплазме, то значение мембранного потенциала уменьшается. Если же увеличивать концентрацию ионов К⁺ на поверхности мембраны, то мембранный потенциал возрастает. Можно подобрать такую концентрацию ионов, при которых мембранный потенциал будет равен нулю. Таким образом, наличие ионной асимметрии на клеточной мембране создает емкостный потенциал, что является основной причиной возникновения потенциала покоя или мембранного потенциала.

Однако, на величину мембранного потенциала влияют так называемые диффузионные токи, которые постоянно имеют место в мембране вследствие концентрационного градиента и представляющие пассивный транспорт. Как уже отмечалось раньше, концентрация ионов К⁺ в цитоплазме больше, чем на наружной части мембраны. Поэтому из цитоплазмы на наружную часть мембраны постоянно идет значительный по величине диффузионный К⁺-ток. Концентрация же ионов Nа⁺ на наружной поверхности мембраны несколько больше, чем цитоплазме, значит в этом случае, имеет место обратный натриевый ток, который в 80-100 раз меньше, чем калиевый ток, причем некоторые исследователи предполагают, что натриевый ток вообще отсутствует в силу небольшого концентрационного градиента.

Величина диффузионных токов определяется следующими факторами:

- величиной мембранного потенциала: чем меньше его значение, тем больше диффузионные токи,

- значением концентрационного градиента: чем больше разность концентрации ионов, тем интенсивнее диффузионный ток,

- размерами ионов, размерами и структурой стенки каналов, стерической адекватностью вида ионов к данному виду канала,

- активностью лигандных систем, способных снимать водную оболочку с ионов (показано, что вокруг иона Nа⁺ находится около 16 молекул воды, а вокруг иона К⁺ - 10; проходя по своим каналам ионы связываются со специфическими участками лигандных систем канала и, теряя большую часть гидратной оболочки, легко преодолевают канал).

Возникает вопрос: “Почему при наличии постоянных диффузионных токов сохраняется ионная асимметрия, поддерживающая величину мембранного потенциала на относительно постоянном уровне?”.

В 1941 году американский ученый Ден высказал предположение, что наряду с пассивным транспортом, в мембране имеется активный транспорт ионов, протекающий с затратой энергии, т. к. перемещение ионов осуществляется против концентрационного градиента. Именно, за счет процессов активного транспорта в клетках и волокнах поддерживается ионная асимметрия и, таким образом, сохраняется величина мембранного потенциала на относительно постоянном уровне. Для поддержания ионной асимметрии необходимо, чтобы ионы Nа⁺, входящие в клетку пассивно, выводились бы обратно, а ионы К⁺, выходящие из клетки, возвращались обратно в цитоплазму. Эту функцию осуществляют специфические системы, получившие название насосов (помпы): К⁺-насос, Nа⁺-насос.

В систему активного транспорта входят три компонента: 1) источник энергии - АТФ, 2) фермент АТФаза и 3) переносчик ионов - ионофор.

В 1957 году Скоу открыл фермент, гидролизирующий АТФ только при условии добавления ионов К и Nа в содержащую ионы магния среду. Этот фермент был назван АТФазой. Скоу предположил, что АТФаза является интегральной частью Nа⁺-К⁺-насоса и расщепление АТФ обеспечивает энергию активного транспорта ионов К и Nа. С тех пор был получен ряд фактов, свидетельствующих о том, что Nа⁺-К⁺-АТФаза обнаруживается во всех случаях, когда имеет место активный транспорт ионов. Уровень ее ферментативной активности коррелирует с количеством транспортируемых ионов. Нервным клеткам свойственна высокая активность Nа⁺-К⁺-насоса, в то время как в эритроцитах этот показатель находится на низком уровне. При гидролизе одной молекулы АТФ происходить перенос трех ионов Nа из клетки во внешнюю среду и двух ионов К, которые перемещаются в противоположном направлении. Следовательно, работа насоса генерирует электрический ток через мембрану. Другими словам, этот факт доказывает, что К⁺- Nа⁺ насос электрогенен: насосы изменяют величину мембранного потенциала или поддерживают его величину на постоянном уровне. Имеются вещества, блокирующие систему активного транспорта, введение которых прекращает работу насосов. В результате чего исчезает ионная асимметрия, а вместе с ней и мембранный потенциал.

Активный транспорт имеет большое физиологическое значение, т. к. имеет место во всех клеточных мембранах. Организм человека и животных на активный транспорт затрачивает более трети АТФ, расходуемой в состоянии покоя. Градиенты К⁺ и Nа⁺ регулируют объем клетки, обеспечивая возбудимость нервных и мышечных элементов, а также являются движущей силой для активного транспорта аминокислот.

Второй разновидностью электрических процессов является потенциал действия, который возникает тогда, когда на мембрану клетки действует раздражитель пороговой силы. При действии же на мембрану раздражителя подпороговой силы наблюдается местный (локальный) потенциал, который проявляется уменьшением мембранного потенциала или деполяризацией. Последняя является результатом увеличения натриевого тока в цитоплазму. Локальный ответ подчиняется ряду закономерностей:

- локальный ответ распространяется декрементно, т. е. по мере удаления от места раздражения его величина постепенно уменьшается до нуля,

- он подчиняется закону градуальности: чем больше величина подпорогового раздражителя, тем выраженнее локальный ответ (деполяризация),

- локальный ответ не имеет периода рефрактерности (невозбудимости);

- локальный ответ способен суммироваться.

Если на мембрану действует раздражитель пороговой силы, то как было сказано раньше, возникает потенциал действия, при этом на мембране наблюдается изменение величины мембранного потенциала, которое носит фазовый характер.

Первая фаза - фаза деполяризации. Связана с уменьшением величины мембранного потенциала и обусловлена увеличением натриевого тока в цитоплазму. Фактически это локальный ответ.

Вторая фаза - фаза инверсии или перезарядки мембраны. Как только под влиянием порогового раздражителя деполяризация мембраны достигает критического уровня (т. е. некоего уровня уменьшения мембранный потенциал, как правило, это уменьшение составляет 30-40% от мембранного потенциала в покое), это снижение потенциала улавливается сенсором напряжения канала, который, в свою очередь, запускает активационную систему, в результате чего открываются все натриевые каналы и возникает лавинообразный натриевый ток внутрь клетки (неуправляемый регенераторный процесс). По образному выражению известного английского физиолога Шеррингтона, натрий как бы весь проваливается в дефект мембраны. В результате такого ионного тока мембрана перезаряжается и ее потенциал достигает величины +30 мВ. Перезарядка мембраны имеет большой биологический смысл, т. к. она обеспечивает электродвижущую силу, лежащую в основе распространения потенциала действия. Отрицательно заряженный (возбужденный) участок мембраны становится раздражителем для соседнего положительно заряженного (невозбужденного) участка, в результате чего возникают круговые (циркулярные, местные) токи, которые и лежат в основе распространения потенциала действия. Перезарядка мембраны улавливается сенсором напряжения, который затем включает инактивационную систему, закрывающую все натриевые каналы и прекращающую натриевый ток.

Возникает вопрос: “Для чего необходимо периодически закрывать натриевые каналы и прекращать натриевый ток?”. Периодически закрывать натриевые каналы необходимо для того, чтобы сформировался потенциал действии (импульс) и возбуждение приняло ритмический (импульсный) характер. В противном случае возбуждение приняло бы сплошной характер, что полностью исключает регуляцию процессов жизнедеятельности, основанной на частотной характеристике. Поскольку принято считать, что в большинстве случаев возбуждение связано с натриевым током, то инактивационная система обязательно должна иметься в натриевых каналах.

За фазой перезарядки мембраны (инверсия) следует третья фаза - фаза реполяризации - восстановления мембранного потенциала, которая в первое время идет преимущественно за счет открытия калиевых каналов и увеличения калиевого тока из цитоплазмы на поверхность мембраны. И только несколько позже, по-видимому, подключается система активного транспорта, осуществляющая перенос ионов натрия из цитоплазмы на поверхность мембраны, а ионов калия с поверхности мембраны - в цитоплазму. Быстрое удаление ионов Nа из клетки оказывается возможным благодаря тому, что на каждый канал в мембране имеется 5-10 молекул АТФазы, каждая из которых должна выкачать от 5000 до 10000 ионов Nа, прежде, чем начнется следующий цикл возбуждения. Необходимо отметить, что во время возникновения импульса через плазматическую мембрану проходит очень малое количество ионов Nа, примерно одна миллионная часть от его содержания (нервная клетка). Из этого следует, насколько эффективен потенциал действия как средство сигнализации на большое расстояние.

Потенциал действия можно получить графически (рис. 2.8.). Рассмотрим его составные элементы. Перед потенциалом действия должен быть латентный период – период времени от начала нанесения раздражения до начала появления первого элемента потенциала действия. После латентного периода регистрируется локальный ответ, связанный с деполяризацией мембраны, обусловленной увеличением медленного натриевого тока. Локальный ответ переходит в основной зубец потенциала действия (пик), который имеет восходящее и нисходящее колено. Величина основного зубца составляет 110-120 мВ, а продолжительность в нервном волокне - 0,5-2 мс. За основным зубцом потенциала действия идут следовые потенциалы: 1) следовая электроотрицательность, продолжающаяся 4-6 мс, связанная с задержкой калиевого тока (в этот момент мембрана остается частично деполяризованной), 2) следовая электроположительность, продолжающаяся 30-40 мс (в этот момент наблюдается увеличение мембранного потенциала, который становится больше исходного –гиперполяризация; состояние гиперполяризации обусловлено увеличением калиевого тока из цитоплазмы на поверхность мембраны, который становится больше исходного).

Потенциал действия характеризуется рядом свойств, к которым относятся:

1) Потенциал действия подчиняется закону “Все или ничего”, т.е. на действие подпорогового раздражителя не возникает потенциала действия. На подачу раздражителя пороговой силы генерируется потенциал действия максимальной амплитуды. Если действовать надпороговым раздражителем, то величина потенциала действия не изменяется. Однако, в месте действия стимула потенциалы действия в единицу времени генерируются чаще. На этом механизме практически основана регуляция всех функций. Например, сила мышечного сокращения зависит не от амплитуды потенциалов действия, которая практически не меняется, а определяется частотой приходящих к мышце импульсов: чем чаще импульсы поступают к мышце, тем сильнее она сокращается, и наоборот, чем меньше их количество адресуется к ней, тем с меньшей силой она сокращается.

2) Потенциал действия распространяется инкрементно, т. е. по мере удаления от места раздражения величина пика потенциала действия практически не изменяется. В свое время академик Ухтомский пытался объяснить инкрементный характер распространения возбуждения тем, что потенциал действия в месте своего нахождения черпает необходимую для распространения энергию (подпитывается подобно электрическим подстанциям), поэтому его амплитуда не уменьшается. Ухтомский сравнивал распространение потенциала действия подобно горению полоски пороха или бикфордова шнура: они полностью сгорают, так как энергия для горения черпается в месте вспышки.

3) Потенциал действия имеет период полной невозбудимости (абсолютный рефракторный период). Если в этот момент наносить раздражение максимальной силы, то ответная реакция на него не последует.

4) Потенциал действия не способен к суммации.

Однако, возбуждение характеризуется не только генерацией электрических процессов, при этом меняется температура и метаболизм тканей.

Перечислим основные изменения обмена веществ в тканях, которые имеют место при возбуждении:

При возбуждении в тканях усиливается синтез и распад жиров, углеводов и белков.

Синтезируются и выделяются биологически активные вещества типа медиаторов (ацетилхолин, норадреналин, серотонин, РНК, …).

Происходит распад и ресинтез макроэргических соединений, источников энергии (АТФ, АДФ, креатинфосфат, …).

Увеличиваются анаэробные процессы, ведущие к накоплению недоокисленных продуктов (молочная кислота, …).

Усиливаются аэробные процессы, ведущие к увеличению потребления тканями кислорода и выделению большего количества углекислого газа.

Кроме биохимических сдвигов при возбуждении имеет место повышение теплопродукции, которое протекает в две фазы.

I фаза - фаза начального теплообразования (анаэробное, бескислородное). В это время выделяется всего 2-3% тепла. Эта фаза по времени совпадает с генерацией потенциала действия;

II фаза – фаза запаздывающего теплообразования (аэробная, кислородная). В этой фазе образуется 97-98% тепла.

Если электрические явления в тканях связаны с изменением ионной проницаемости мембраны, то такие электрические процессы рассматриваются как активные. Кроме того, в тканях имеются электрические процессы, которые не связаны с нарушением ионной проницаемости мембраны и рассматриваются как пассивные.

Имеются специфические вещества, блокирующие натриевые каналы в мембране и не оказывающие влияния на калиевые каналы. Если такими веществами заблокировать натриевые каналы клетки и раздражать ее электрическим током, то под электродами изменится величина мембранного потенциала. Следовательно, отклонения величины мембранного потенциала не связаны с нарушением ионной проницаемости, а определяется и какими-то другими факторами, которые наблюдаются в тканях при действии тока.

К таким электрическим пассивным процессам относится, в частности, электротон (первый закон действия постоянного тока на ткань). Электротон - это есть изменение величины мембранного потенциала и возбудимости под электродами при действии постоянного тока на ткань. Различают два вида электротона – катэлектротон и анэлектротон.

Катэлектротон - это уменьшение величины мембранного потенциала и увеличение возбудимости под катодом при действии постоянного тока на ткань. Анэлектротон - это увеличение мембранного потенциала и уменьшении возбудимости под анодом при действии постоянного тока на ткань. В этом случае возникающие под анодом и катодом гиперполяризация и деполяризация рассматриваются как пассивные электрические процессы. Для выяснения природы электротона ткань следует рассматривать как “лейденскую банку”, т. е. как проводник второго рода, в котором электрические явления связаны с движением ионов. Так, если заблокировать натриевые каналы особым веществом и действовать на клетку или волокно постоянным током, то, как и в “лейденской банке” [простейшем конденсаторе], нестабилизированные в цитоплазме положительно заряженные ионы устремляются к катоду и уменьшают заряд, связанный со стабилизированными на внутренней поверхности мембраны отрицательно заряженными ионами. В результате этого мембранный потенциал под катодом уменьшается (пассивная деполяризация), а возбудимость ткани на этом участке соответственно растет, т. к. Е₀ приближается к Е_к (катэлектротон). К аноду же при действии постоянного тока перемещаются отрицательно заряженные нестабилизированные частицы, увеличивающие отрицательный заряд, который связан с накоплением стабилизированных анионов с внутренней стороны мембраны под анодом. В результате этого величина заряда под анодом растет (пассивная гиперполяризация), а возбудимость уменьшается, т. к. Е₀ отодвигается от Е_к (анэлектротон). Совершенно очевидно, что в начале возбуждения имеют место и пассивные и активные электрические процессы. Однако, выделить их отдельно не предоставляется возможным, так как они наслаиваются друг на друга. Электротон подчиняется двум основным закономерностям:

- электротон градуален, т. е. чем сильнее раздражитель, тем наиболее выражены электротонические изменения;

- электротон распространяется декрементно, т. е. по мере удаления от места его образования величина электротона постепенно уменьшается до 0.

Электротонические изменения в тканях играют большую физиологическую роль:

- электротон способствует достижению критического уровня деполяризации, а следовательно, и формированию потенциала действия;

- электротон облегчает проведение потенциала действия по тканям. Например, если в нервном волокне на небольшом участке нарушается проведение, то электротон, несмотря на этот дефект, обеспечивает проведение за счет электрического поля, которое им создается;

- электротон играет большое значение в интегративной деятельности ЦНС, а именно, в том что в одном случае электротон способствует формированию процесса возбуждения (катэлектротон), а в другом - процесса торможения (анэлектротон).

Известным отечественным физиологом Введенским было показано, что электротонические изменения в тканях при носят очень сложный характер. В частности, им было обнаружено, что на некотором расстоянии от катода при действии постоянного тока возбудимость уменьшается. На некотором же расстоянии от анода возбудимость увеличивается. Эта физиологическая закономерность получила название периэлектротона.

Ученый Вериго установил, что если постоянный ток действует на ткань длительно или применяется слишком сильный электрический раздражитель, то в этом случае под катодом наблюдается уменьшение возбудимости и проводимости, что было названо катодической депрессией Вериго. Позже было показано, что катодическая депрессия является следствием постепенного развития натриевой инактивации.

Вторым законом действия постоянного тока на ткань является полярный закон. Оказывается, что в момент замыкания активным является катод, под ним возникает раздражение и возбуждение ткани (катод-замыкательный удар). В момент же размыкания активным является анод, под ним возникает раздражение и возбуждение ткани (анод-размыкательный удар). Причем установлено, что если на ткань действует слабый ток, то анод-размыкательное раздражение отсутствует. Только при действии тока средней и большой силы имеет место анод-размыкательное действие. Анод-размыкательное действие на ткань можно объяснить электротоническим изменениями под анодом. Как было отмечено раньше, под анодом при действии постоянного тока наблюдается гиперполяризация (увеличение мембранного потенциала). Отсюда следует, что в момент размыкания мембрану под анодом можно представить в виде своеобразного конденсатора, накопившего электрический заряд, который начинает разряжаться при размыкании цепи. Этот разряд и становится раздражителем для ткани. Поэтому при действии на ткань слабого тока анод-размыкательное действие не наблюдается, т. к. под анодом не формируется достаточной величины гиперполяризация, чтобы при размыкании вызвать раздражение ткани.

При возбуждении в тканях меняется возбудимость. В изменении возбудимости выделяется 4 фазы (рис. 2.8.).

Фаза абсолютной рефрактерности (абсолютной невозбудимости). Если в течение этой фазы нанести дополнительные раздражения, какой бы силы они не были, ткань не отвечает на их действие. Продолжительность этой фазы, например, в нервном волокне составляет 0,5-2 мс. Фаза абсолютной рефрактерности соответствует восходящей части основного зубца потенциала действия и немного захватывает начальный участок нисходящей его части. Согласно мембранно-ионной теории, абсолютная рефрактерность объясняется возникновением лавинообразного - “взрывоподобного” - натриевого тока (т. е. неуправляемого процесса) с последующим развитием натриевой инактивации, при которых натриевый ток не увеличивается.

Фаза относительной рефрактерности. В этот момент начинает восстанавливаться возбудимость и если наносить дополнительные раздражения надпороговой силы, то ткань на это воздействие ответит возбуждением. В это время возбудимость ткани не приходит в исходное состояния, т. к. наблюдается только частичное открытие натриевых каналов. Фаза относительной рефрактерности соответствует нисходящей части основного зубца потенциала действия и продолжается 2-4 мс.

Фаза повышенной возбудимости. Если в этой фаза наносить даже подпороговые раздражения, то ткань ответит дополнительным возбуждением. Фаза повышенной возбудимости (экзальтации) продолжается 4-8 мс и связана с сохранением на мембране деполяризации. Эта фаза возбудимости соответствует участку следовой электроотрицательности потенциала действия.

Фаза пониженной возбудимости (субнормальная фаза). В этот период времени ткань отвечает только на раздражители надпороговой силы. Эта фаза возбудимости соответствует на участку следовой электроположительности мембранного потенциала. Продолжается 20-30 мс, обусловлена возрастанием мембранного потенциала (гиперполяризация), связанного с увеличением калиевого тока.

Изучение изменения возбудимости при возбуждении проводится при помощи парных электродов. Одна пара электродов используется для нанесения основного раздражения, другая же для дополнительной стимуляции через различные интервалы времени после нанесения первого раздражения. Временные показатели фаз изменения возбудимости при возбуждении могут меняться при различных физиологических и особенно патологических состояниях (неврозы и другие заболевания, прежде всего, ЦНС).

Как было отмечено раньше, процесс возбуждения носит импульсный (ритмический) характер. Учитывая эту важную физиологическую закономерность, известный отечественный физиолог Введенский предложил в качестве дополнительного показателя возбудимости использовать лабильность ткани, под которой следует понимать свойство или способность ткани воспроизводить в единицу времени максимальное количество импульсов (потенциалов действия). Как свидетельствуют проведенные исследования, лабильность находится в обратной зависимости от рефрактерности: чем больше рефрактерный период, тем меньше лабильность ткани и наоборот. Каждая ткань характеризуется своим рефрактерным периодом, поэтому и лабильность каждой ткани своя. Наибольшая лабильность установлена для нервного волокна, абсолютный рефрактерный период которого составляет 0,5-2 мс. Значит, нервное волокно может пропустить за секунду 500-2000 импульсов. Другие ткани, например, мышечная, у которой рефрактерный период составляет 5 мс, может пропустить максимально 200 импульсов за секунду. Низкой лабильностью характеризуется тело нервной клетки, а также место контакта нервного волокна с эффектором (мионевральный синапс) - 50-70 им/с. Таким образом, если лабильность ткани высокая, то она обладает выраженной возбудимостью, если низкая - то ее возбудимость незначительная. Слово “лабильность” означает неустойчивость, отсюда следует то, что она может легко меняться при различных состояниях организма (утомление и др.). Наконец, это свойство можно искусственно изменять [Ухтомский] путем тренировки (усвоение ритма).

Проведение возбуждения

Нервная ткань обладает таким физиологическим свойством как проводимость, т. е. способностью проводить возбуждение по ходу нервного волокна в виде потенциала действия. Выделяют два вида проведения возбуждения в зависимости от строения нервного волокна. Различают два вида нервных волокон: мякотные (миелиновые) и безмякотные (немиелиновые). В безмякотных нервных волокнах наблюдается непрерывное распространение возбуждения, в основе которого лежат локальные или круговые токи. Как было сказано раньше, возбужденный электроотрицательный участок нервного волокна становится раздражителем для ближайшего невозбужденного электроположительного участка, который возбуждается (возбужденный участок как бы разряжается в сторону невозбужденного, следствием чего и являются появление локальных или круговых токов).

Миелин, прокрывающий нервное волокно, располагается сегментами, т. е. прерывисто. Миелин - хороший изолятор и, если бы он сплошным слоем покрывал нервное волокно, то возбуждение не распространялось бы. Миелиновая оболочка образуется клетками неврилеммы или шванновскими клетками. Плазматическая мембрана одной шванновской клетки обвертывает спирально в несколько слоев участок аксона, длиной в несколько сотых микрон. Между участками аксона, покрытого миелиновой оболочкой, остаются немиеленизированные зоны. Эти зоны называются перехватами Ранвье.

В волокнах, покрытых миелиновой оболочкой (мякотные волокна) возбуждение распространяется скачкообразно (сальтаторно), т. е. по перехватам Ранвье. Как было показано японским физиологом Тасаки, это создает своеобразную систему надежности для распространения возбуждения (разности потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками волокна хватает на 5-6 перехватов Ранвье). В случае, если появится повреждение на небольшом участке волокна вследствие большого электрического поля распространение потенциала действия не нарушается. Как известно, начальная часть аксона в нервной клетке не покрыта миелиновой оболочкой. Именно в этом участке волокна и формируется потенциал действия. Возникает разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участком первого перехвата Ранвье, который под влиянием этого электрического поля возбуждается. Затем разность потенциалов формируется между возбужденным первым перехватом Ранвье и следующим, который перезаряжается и возбуждение приобретает распространяющий характер. Таким образом, в основе распространения возбуждения по мякотному волокну, как и безмякотному, лежат также местные (круговые, вихревые) токи. В перехватах Ранвье, находящихся друг от друга на расстоянии 2 мм, обнаружена большая плотность натриевых каналов - до 1200 на 1 мкм², что значительно облегчает проведение возбуждения по нервному волокну. Прерывистое распространение возбуждения имеет некоторые преимущества по сравнению с непрерывным. Во-первых, скорость распространения возбуждения в волокнах, покрытых миелином, в 8-10 раз быстрее, чем в безмякотных. Во-вторых, на распространение возбуждения прерывистого типа затрачивается меньше энергии, оно более экономично, что, по всей вероятности, связано с большой плотностью натриевых каналов в перехватах Ранвье.

При распространении возбуждения по нервному волокну следует учитывать чисто физические или кабельные свойства проводника (нерв можно представить как кабель, помещенный в морскую воду). К кабельным свойствам относится, в частности, диаметр (поперечное сечение) проводника - чем толще нервное волокно (или больше поперечное сечение), тем меньше сопротивление. Следовательно, тем быстрее будет распространение возбуждения в виде импульса. Большое значение при возбуждении имеет также емкость и сопротивление мембраны. Так, если входное сопротивление мембраны больше, то и возбудимость в этом месте уменьшается. К кабельным свойствам относится также и электротон, оказывающий большое влияние на проводимость: чем выраженнее катэлектротон, тем быстрее проводится потенциал действия. Анэлектротонические изменения, напротив, ухудшают проведение возбуждения по нервной ткани.

В зависимости от скорости проведения возбуждения все нервные волокна делятся на три группы: А, В и С. Нервные волокна группы А - это высокоскоростные волокна, исключительно мякотного типа. В зависти от сечения нервного волокна скорость проведения возбуждения их колеблется в пределах 20-120 м/с. Различают А- волокна - самые скоростные - 70-120 м/с (диаметр волокна 12-20 мкм - a-волокна, их средняя скорость проведения возбуждения составляет 70-120 м/с; диаметр 8-12 мкм - b-волокна, проводящие возбуждение со скоростью 40-70 м/с; диаметр волокна 4-8 мкм - g-волокна, проводящие возбуждение со скоростью 20-40 м/с). Таким образом, чем толще проводник, тем больше скорость проведения возбуждения. Нервные волокна группы В представляют собой в основном безмякотные волокна, скорость распространения возбуждения которых составляет 6-20 м/с. Нервные волокна группы С представлены исключительно безмякотными волокнами вегетативной природы, скорость проведения возбуждения их составляет 0,5-6 м/с.

В физиологии имеется три закона распространения возбуждения.

Закон целостности нерва (закон непрерывности). Нерв проводит возбуждение только в том случае, если он сохраняет свою гистологическую и функциональную целостность. Любые отклонения этих показателей приводят к нарушению его проводимости. Действие местных анестетиков (новокаин) основано на том, что молекулы новокаина блокируют натриевые каналы, в результате чего прекращается натриевый ток и ткань теряет способность возбуждаться. Возбуждение при раздражении болевых рецепторов доходит до места, где действует новокаин и блокируется, вследствие чего болевые импульсы не достигают болевого центра.

Закон двустороннего проведения возбуждения. Нервное волокно способно проводить возбуждение от рецепторов к центрам и наоборот, от центров к периферическим образованиям. Такая закономерность была показана в классических исследования Кюне и Бабухина. Так, опыт Кюне заключался в следующем: если нарушить целостность мышцы между двумя ее участками, которые иннервируются двумя разветвлениями одного аксона, то электрическое раздражение любого из ответвлений аксона приводит к сокращению обеих частей мышцы.

Закон изолированного распространения возбуждения. Известно, что потенциал действия в волокнах, покрытых миелином, не перебрасывается с одного нервного волокна на другое благодаря хорошим изоляционным свойствам миелина. Такое изолированное проведение возбуждения обеспечивает мелкие и точные профессиональные сокращения мышц (игра на пианино, работа часового мастера и др.). Сразу после рождения достаточная миелинизация нервных волокон отсутствует и на любое раздражение новорожденные в большинстве случаев отвечают не локальными, а диффузными сокращениями большой группы мышц. Подобная же ответная реакция наблюдается во всех гладких мышцах, которые иннервируются безмякотными нервными волокнами, не обладающими изоляционными свойствами.

ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Среди большого числа сложных систем, построенных из белковых структур, ни одна не привлекала к себе так много внимания физиологов-исследователей, как способность к сокращению мышечных волокон. Различают несколько типов мышц. Скелетные (поперечно-полосатые, исчерченные) сокращаются под произвольным контролем, благодаря которым выполняются различные движения. Близка по структуре скелетным мышцам сердечная мышца с характерной исчерченностью. Непроизвольными являются гладкие мышцы (неисчерченные), которые входят в структуру внутренних органов. Структурной единицей гладких мышц является мышечная клетка, одноядерная, диаметр которой колеблется в пределах 4-5 мкм, а длина составляет 400-500 мкм. Поперечно-полосатая мышца состоит из мышечных волокон (многоядерная структура) диаметром 10-100 мкм и длиной от 20 до 100 мм. В мышечных волокнах имеются обычные клеточные органеллы, имеющие специальные названия: плазматическая мембрана - плазмолемма, цитоплазма - саркоплазма, митохондрии - саркосоммы. Наиболее характерной структурной особенностью мышечных волокон является наличие сократительных элементов - миофибрилл, представляющих собой специальным образом организованные пучки белковых молекул (рис. 2.9.). Каждая из миофибрилл мышечного волокна, диаметром около одного мкм, состоит в среднем из 2500 протофибрилл, представляющие собой удлиненные полимеризированные молекулы белков актина и миозина (актиновые и миозиновые нити - филаменты).

Мышечное волокно состоит из А и I дисков, причем А-диски обладают двойным лучепреломлением - они анизотропны, диски J не обладают таким свойством - они изотропны. Кроме дисков в миофибриллах имеются и полоски: мембраны Z и М, причем мембрана Z проходит по середине диска I, а М-мембрана - посередине диска А. Участок миофибриллы между двумя мембранами называется саркомером.

Хаксли, исследуя срезы мышц под электронным микроскопом, обнаружил, что белковые нити расположены строго упорядоченным образом. Причем, толстые филаменты диаметром 12-14 нм и длиной 1,5 мкм уложены в форме шестиугольника, диаметром 40-50 нм, и проходят, как было сказано раньше, через весь диск А. Между толстыми филаментами находятся тонкие филаменты, диаметром до 8 нм, соответствующие I-дискам. Миофибриллярные белки составляют 50-60 общего количества белков мышечных волокон. Главный мышечный белок - миозин - составляет основу толстых нитей, другой - актин - является главной составной частью тонких нитей. С нитями актина связаны регуляторные белки мышечной ткани - тропомиозин и тропонин.

Миозин обладает тремя важными физиологическими функциями. Во-первых, при физиологических значениях ионной силы и величины рН молекулы миозина в растворе спонтанно образуют волокна. Во-вторых, миозин обладает ферментативной активностью, в частности, АТФазной (Энгельгард, Любимова). Гидролиз АТФ является непосредственным источником свободной энергии, необходимой для сокращения. В-третьих, миозин связывает полимеризованную форму актина - основного компонента тонких нитей. Именно это взаимодействие играет ключевую роль в генерировании силы, обеспечивающей смещение тонких нитей относительно толстых. На электронной микрофотографии видно, что миозин состоит из глобулярной, образующей две головки, части, присоединенной к очень длинному стержню. Актин, основной компонент тонких нитей, на электронных микрофотографиях выглядит как две нити бус, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали, диаметром около 70 нм, в которую встроен тропомиозиновый комплекс.

Функциональной единицей мышечной системы является нейромоторная (моторная) единица. Нейромоторная единица представлена мотонейроном, расположенном в передних рогах спинного мозга, аксоном этого мотонейрона и группой мышечных волокон, которую иннервирует данный аксон (в среднем 10-12 мышечных волокон, но их количество может доходить до 500) В зависимости от того, способны ли нейромоторные единицы генерировать потенциал действия их различают на фазные и тонические.

Фазные моторные единицы генерируют потенциал действия. Они представлены a-мотонейронами спинного мозга, которые образуют на мышечном волокне один - два синапса. Фазные моторные единицы способны развивать довольно мощные мышечные сокращения, но быстро утомляются.

Тонические моторные единицы представлены g-мотонейронами спинного мозга, образующими на мышечном волокне 10-12 синапсов. Отсутствие возбудимых структур на этих волокнах не позволяет генерировать потенциал действия. Они способны на нервных окончаниях формировать только локальный ответ. Суммируясь в синапсах, локальные ответы тем не менее вызывают сокращение всего мышечного волокна. Тонические моторные единицы также способны развивать сильные мышечные сокращения, которые в силу структурных особенностей утомляются медленно (известно, что мышцы моллюска могут длительное время держать закрытыми створки раковины).

Специализированные тонические нейромоторные единицы широко представлены среди беспозвоночных и холоднокровных животных. У теплокровных животных эти моторные единицы обнаружены только в ограниченном числе мышц, например, в мышцах глазодвигательного аппарата. Необходимо со всей определенностью подчеркнуть, что тонические нейромоторные единицы у человека практически отсутствуют. Фазные моторные единицы по скорости развития максимального напряжения делятся на две группы: быстрые и медленные.

Быстрые моторные единицы развивают максимальное напряжение в течение 10-20 мс, медленные - в течение 70-100 мс. Функцию тонических моторных единиц в организме человека и высших животных берут на себя медленные фазные моторные единицы. Быстрые фазные моторные единицы развивают быстрые и мощные сокращения, но быстро утомляются (белые мышцы). В спинном мозге они представлены крупными, высоковозбудимыми L₁-мотонейронами. Медленные моторные единицы развивают длительные и сильные мышечные сокращения и утомляются медленнее (красные мышцы). Они представлены мелкими, низковозбудимыми L₂-мотонейронами спинного мозга.

Мышечная система обладает рядом физических и физиологических свойств. К основным физическим свойствам относятся:

Двоякое лучепреломление (анизотропия). Формируется за счет дисков А, заключается в том, что в обыкновенном свете анизотропные участи выглядят темными, а в поляризованном - светлыми, если свет пропускается в продольном направлении, и темными, если он проходит в поперечном направлении. Чередование анизотропных и изотропных дисков и создает поперечную исчерченность мышцам.

Растяжимость. Связана с наличием в мышцах эластического компонента мембраны, полоски, саркоплазматического ретикулюма, …).

Эластичность. Это свойство связано с растяжимостью и заключается в том, что после растяжения мышца приходит в исходное положение.

Упругость. Это свойство мышцы связано с ее сжатием. После сжатия мышца способна приходить в исходное состояние.

Пластичность. Заключается в том, что мышца способна некоторое время сохранять приданную ей искусственную форму. Пластические свойства скелетных мышц выражены очень слабо, они в большей степени присущи гладкой мускулатуре. При некоторых заболеваниях (кататоническая форма шизофрении) пластические свойства скелетных мышц становятся выраженным.

К физиологическим свойствам мышц относятся - возбудимость, проводимость и сократимость.

Итак, возбудимость – это свойство клеточных мембран отвечать на действие раздражителя изменением ионной проницаемости мембраны и величины мембранного потенциала. В мышечном волокне, как и в любой возбудимой ткани, регистрируются электрические явления. Величина мембранного потенциала составляет 50-90 мВ. В мышечной мембране по сравнению с нервной имеются дополнительные кальциевые и хлорные каналы, поэтому имеют место и соответствующие токи, оказывающие определенное влияние на величину мембранного потенциала. При действии на мышечное волокно раздражителем подпороговой силы развивается локальный ответ с характерными для него свойствами, о которых говорилось раньше. При действии раздражителя пороговой силы в мышечном волокне развивается потенциал действия. Однако, вследствие того, что возбудимость мышечной ткани несколько меньше, чем нервной. продолжительность всех элементов потенциала действия несколько больше. Так продолжительность основного зубца потенциала действия доходит до 5 мс, вместо 0,5-2 мс в нервном волокне, следовая электроотрицательность продолжается 20-30 мс, а следовая электроположительность - 50-150 мс. Амплитуда основного зубца потенциала действия составляет 110-130 мВ. Как видно, эти элементы потенциала действия также более длительны, чем в нервном волокне. Электрогенез потенциалов в мышечном волокне такой же, как и в нервном, поэтому на его природе я не останавливаю вашего внимания.

В мышечном волокне при возбуждении меняется возбудимость, что носит фазный характер (рис. 2.10.). Абсолютный рефрактерный период продолжается 4-5 мс, относительный - до 10 мс, фаза повышенной возбудимости равна 20-30 мс, пониженной - 100-150 мс. О причинах изменения возбудимости при возбуждении говорилось раньше, когда речь шла о физиологии нервного волокна. При возбуждении мышечного волокна наблюдаются не только электрические, но и другие процессы, свойственные возбуждению, а именно, имеет место изменение температуры. В мышечной ткани наблюдаются две фазы тепловых изменений:

1. Начальное теплообразование, которое составляет 30% всего образующегося тепла, которое не сопровождается потреблением кислорода (бескислородная фаза).

2. Запаздывающее теплообразование (восстановительное), сопровождающееся потреблением кислорода (кислородная фаза), при этом образуется около 70 % тепла. Кроме того, начальное теплообразование характеризуется несколькими периодами:

а) период активации (в этом периоде образуется тепло, связанное с переходом ткани от невозбужденного состояния к возбужденному),

б) период теплообразования, связанный с сокращением мышцы,

в) период теплообразования в период расслабления мышцы.

Кроме того, при возбуждении в мышцах имеют место метаболические изменения:

а) распад и ресинтез макроэргических соединений (АТФ, АДФ, креатинфосфат),

б) усиление гликолиза с накоплением лактата,

в) синтез и выделение БАВ (медиаторы, моноамины и др.),

г) усиливается потребление кислорода и выделение углекислого газа,

д) усиливается распад жиров и углеводов как источников энергии.

Проводимость. Под проводимостью следует понимать способность ткани проводить возбуждение в виде потенциала действия. В основе проведения возбуждения по мышечной ткани лежат циркулярные или круговые токи, которые формируются в результате перезарядки мембраны. Скорость проведения возбуждения по скелетным мышцам составляет 3-5 м/с. Однако, проведение возбуждения по мышечному волокну отличается от проведения возбуждения по нервной ткани тем, что потенциал действия в этом случае должен достигнуть мышечных сократительных элементов - актиновых и миозиновых нитей, которые находятся в глубине клетки. Проведение возбуждения к сократительным элементам мышечного волокна обеспечивается мембранно-миофибриллярной связью, которая включает в себя следующие элементы:

а) мембрана, покрывающая мышечное волокно,

б) система поперечных трубочек, пронизывающих мембрану,

в) саркоплазматический ретикулюм.

Остановимся подробно на структуре этих образований. В области Z мембраны сарколемму в радиальном направлении пронизывает система поперечных трубочек (рис. 2.11.). Диаметр этих трубочек около 10 нм. Они и образуют, так называемый, “внутренний синапс”. Следующим образованием, участвующим в проведении возбуждения к сократительным элементам, является саркоплазматический ретикулюм. Он состоит из трех частей: центральной - узкой части - и двух концевых утолщений - терминалей. Два саркоплазматических ретикулюма и одна поперечная трубочка образуют Т-проводящую систему. Саркоплазматический ретикулюм является депо для Са²⁺, участвующих в сокращении. В состоянии покоя ионы Са находятся в инактивированном состоянии - они связаны белковыми структурами. В саркоплазматическом ретикулюме открыта мощная система активного транспорта для ионов Са, которая создает большой концентрационный градиент для этих ионов в ретикулюме (концентрация ионов Са в саркоплазматическом ретикулюм в 2500-3000 раз больше, чем снаружи). Основная роль в работе кальциевых насосов отводится ферменту Мg-зависимой-АТФазе. Это фермент является интегральной частью мембраны саркоплазматического ретикулюма, составляя 95% общего содержания белка. Располагаясь перпендикулярно мембране, Са-зависимая-АТФаза не является электрогенной, т. к. обеспечивает обмен ионов Мg на Са, используя для этого энергию АТФ. Кроме того, имеются еще три компонента Са-регулирующей системы саркоплазматического ретикулюма. Один из них ионофор - протеолипид, экстрагируемый из ретикулюма, ускоряющий действие Мg-Са-зависимой-АТФазы и выступает в роли переносчика ионов. Второй компонент: гликопротеид, называемый кальсеквестрином. Он находится внутри просвета каналов саркоплазматического ретикулюма, причем одна молекула этого белка содержит более 40 участков, которые связывают ионы Са. По всей вероятности, этот белок выступает в роли “хранителя депо” для ионов Са. Третий компонент: еще один специфический белок, обладающий высоким сродством к ионам Са.

Таким образом, способность саркоплазматического ретикулюма удалять ионы Са из саркоплазмы достаточна для того, чтобы сокращение закончилось в пределах действительно наблюдаемых временных интервалов. Кальциевый насос практически работает постоянно. С одной стороны, при возбуждении выделяются ионы Са, с другой - они обратно закачиваются в саркоплазматический ретикулюм. Если бы не было постоянно работающего кальциевого насоса, то одно возбуждение занимало бы по времени период времени достаточный для поступления 2-3 импульсов.

Рассмотрим, как передается возбуждение по проводящей системе мышцы к ее сократительным элементам. Потенциалы действия, которые сформировались в области мионеврального синапса, распространяются по мембране мышечного волокна и достигают системы поперечных трубочек. Заходя в поперечные трубочки вместе с электротоническими проявлениями (катэлектротон), потенциалы действия вызывают деполяризацию мембраны саркоплазматического ретикулюма. Вследствие этого из последнего к сократительным элементам начинают поступать ионы Са, причем количество этих ионов зависит от степени деполяризации мембраны, которая, в свою очередь, определяется количеством потенциалов действия или величиной электрического поля. Такми образом, чем чаще поступают импульсы, тем больше деполяризация и тем больше из сакроплазматического ретикулюма к сократительным элементам поступает ионов Са. И наоборот, чем меньше поступает импульсов, тем деполяризация саркоплазматического ретикулюма выражена в меньшей степени и тем меньше ионов Са поступает к миозиновым и актиновым нитям. Таким образом, мембранно-миофибриллярная связь обеспечивает проведение возбуждения к сократительным элементам. Если специфическими веществами нарушить эту связь, то никакого сократительного акта при раздражении мышц не наблюдается.

Следующим физиологическим свойством мышечной ткани является сократимость. Сократимость можно определить как способность мышцы укорачиваться, уменьшая свою длину или напрягаться без ее изменения. В 50-х годах группа исследователей (Хаксли, Нидергерки, Хенсон) на основании рентгеновских и электронно-микроскопических данных выдвинули теорию сокращения, в основе которой лежит скольжение сократительных нитей - актиновых и миозиновых нитей (теория скольжения). При исследовании удалось выявить:

1) Длина как толстых, так и тонких нитей в ходе мышечного сокращения не меняется.

2) В то же самое время длина дисков А, соответствующих миозиновым нитям, не меняется, а размеры дисков I, соответствующие актиновым нитям, уменьшаются. Следовательно, актиновые нити во время сокращения скользят между

Дата добавления: 2013-12-12