Лекция_1

Лекция № 1
ВОЗБУЖДЕНИЕ КАК БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ.
МЕМБРАННО-ИОННАЯ ТЕОРИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
План:
1. Понятие о физиологическом покое и деятельности.
2. Виды раздражителей.
3. Понятие о возбудимых тканях и их свойства.
4. Процесс возбуждения. Характеристика потенциала покоя и потенциала
действия. Мембранно-ионная теория.
І. Любая живая ткань может находиться как в состоянии покоя, так и в
деятельном состоянии. Но даже, если ткань находится в состоянии покоя, для
неё характерен оптимальный для данного состояния уровень обменных
процессов, т.е. покой не абсолютный, а относительный – физиологический. В
деятельном состоянии ткани отмечается увеличение обменных, тепловых
процессов, кроме того, возникают качественно новые реакции, прежде всего –
электрические.
Что же приводит ткань в деятельное состояние?
РАЗДРАЖИТЕЛЬ
ІІ. Раздражителем живой клетки или организма в целом может быть любое
изменение внешней среды или внутреннего состояния, если оно:
достаточно велико – имеет пороговое значение (по силе можно
1)
выделить допороговое и сверх- или надпорогвые раздражители);
возникло достаточно быстро (крутизна нарастания во времени, или
2)
прирост силы в единицу времени);
продолжается достаточно долго (время воздействия – хронаксия).
3)
Т.е. можно отметить сразу три параметра раздражителя – силу, время
действия и изменение силы во времени – т.е. крутизна нарастания. Четвёртым
параметром
является
частота
воздействия:
одиночные
или
частотные
воздействия.
По природе все раздражители делятся на:
а) физические – температурные, механические, электрические, световые,
звуковые;
б)
физико-химические
(изменение
осмотического
давления,
рН,
электролитного и/или коллоидного состояния цитоплазмы);
в) химические (химические соединения, образующиеся в организме,
гормоны, продукты метаболизма или поступающие извне кислоты, щелочи,
яды).
2
В целостном организме наиболее важная роль принадлежит нервным
импульсам как естественным раздражителям, возникающим в самом организме.
Нервный импульс, поступая по нервным волокнам в ЦНС или обратно, вызывает
изменение функции всех органов и тканей организма.
По физиологическому значению выделяют:
а) адекватные раздражители – специфические раздражители, действующие
на ткань, специально приспособленную к восприятию данного раздражителя –
фотон света для палочек и колбочек сетчатки глаза, звуковая волна для
рецепторных клеток улитки уха и т.д.;
б) неадекватные – действующие на ткань, не приспособленную к действию
данного раздражителя.
Отсюда, ткани значительно чувствительнее к действию адекватных
раздражителей, на восприятие которых они эволюционно подготовлены.
Каждый раздражитель для формирования в ткани ответной реакции должен
обладать:
1)
пороговой силой – наименьшей величиной, способной вызывать
ответную реакцию. Все раздражители меньшей силы – допороговые,
не вызывают ответной реакции. Все раздражители более пороговой
силы – сверхпороговые.
2)
действовать определенное время – полезное время – время, в
течение которого раздражитель пороговой силы вызывает ответную
реакцию;
3)
обладать достаточной крутизной нарастания – если величина
раздражителя увеличивается от допороговой до пороговой величины
очень медленно, то ответной реакции возможно не произойдет
(явление аккомодации).
3
ІІІ. РАЗДРАЖИМОСТЬ – как основное свойство живого.
Все живые ткан отвечают на действие раздражителя изменением своего
состояния – раздражимостью, что является очень широким биологическим
понятием, а по сути – это ответная биологическая реакция.
Как любой живой процесс – это ответная биологическая реакция.
Как любой живой процесс раздражимость подвергалась эволюции. Этапы
совершенствования
этой
реакции
закрепилась
в
различных
видах
раздражимости.
1.
Неспецифическая – присуща всем живым структурам. Проявляется
через способность клетки реагировать на самые разнообразные
раздражения.
2.
Специфическая, или избирательная – появляется в способности
определенных
структур
раздражителей
(кванты
реагировать
света
и
на
т.д.).
определенные
В
виды
гипоталамусе
–
осморецепторы, рецепторы на концентрацию углеводов в крови,
аминокислот и т.д.
3.
Триггерная или курковая – это высший вид специфической
раздражимости – возбудимость. Это свойство присуще только
высокоорганизованным тканям – мышечной, нервной, железистой.
Возбудимость – это способность отвечать на раздражение возбуждением,
т.е. совокупностью изменений физических, химических и функциональных.
Наиболее типичным проявлением процесса возбуждения является изменение
электрического
состояния
ткани. В состоянии
физиологического
покая
регистрируется разность потенциалов на мембране клеток – потенциал покоя
(ПП), при возбуждении ПД.
4
История развития вопроса.
Умозрительные предположения об электрической природе нервного
возбуждения высказывалась учеными уже в XVIII веке, когда Адансон отметил
сходство действия ударов электрических рыб и разрядов лейденской банки на
животных и человека.
Интерес к животному электричеству возрастает в связи с надеждами на его
лечебное действие.
Началом
экспериментального
изучения
истинного
«животного
электричества» следует считать 1771 г., когда итальянский врач Луиджи
Гальвани опубликовал «Трактат о силах электричества при мышечном
движении». Он обратил внимание на то, что отпрепарированные лапки лягушки
приходили в движение, как только соприкасались с железной решеткой балкона,
к которому были подвешены за медный крючок. Гальвани считал, что он открыл
«животное электричество», находящееся в мышцах. Это вызвало резкую критику
физика Александра Вольта, который утверждал, что электричество в данном
случае возникает в результате контакта через влажную среду двух разнородных
металлов. Результатом споров было: 1) открытие источника постоянного тока –
вольтов столб – гальванический элемент; 2) Гальвани же видоизменил опыт –
отпрепарировал седалищный нерв и набрасывал его на разрез мышцы голени, в
результате чего мышца сокращалась – экспериментально доказал наличие
«животного электричества».
В настоящее время убедительно доказано, что клетки любой возбудимой
ткани имеют мембранный потенциал (разность потенциалов между наружной
поверхностью мембраны и цитоплазмы), а формирование его объясняется
положениями мембранно-ионной теории возбуждения.
В 1896 г. В.Ю. Чаговец (студент-химик) высказал мысль об ионной
природе электрических процессов в живых тканях. В 1902 г. Ю. Берштейном
была
предложена
мембранно-ионная
теория
возбуждения,
которую
модифицировали и экспериментально обосновали Ходжкин, Хаксли и Катц
(1949-1952).
5
Согласно указанной теории, наличие электрических потенциалов в живых
клетках обусловлено неравенством концентраций ионов Na+, K+, Ca2+ и Clвнутри и вне клетки. И различной проницаемостью для них поверхностной
мембраны, а именно:
1.
Клеточная
мембрана
обладает
селективной
(избирательной)
проницаемостью для ионов: в состоянии покоя для ионов К+ в 25 раз
больше, чем для Na+, а в состоянии возбуждения – натриевая проницаемость
в 20 раз больше калиевой.
2.
Концентрация ионов Na+, K+ и Cl- различна внутри и вне клетки:
3.
Движение ионов через воротную ситему мембраны осуществляется двумя
механизмами:
свободной
диффузией
по
градиенту
концентрации
(пассивный транспорт) и транспортной системой − Na+,K+-насосом –
6
молекулярным
механизмом,
локализованным
в
мембране,
которая
представляет собой белковую молекулу, спососбную транспортировать
вещества, используя энергию распада АТФ под действием АТФазы. В
состоянии покоя Na+,K+-насос переносит 3 иона Na+ на наружную
поверхность мембраны против градиента концентрации, а в обратном
направлении во внутрь клетки 2 иона К+ также против градиента
концентрации. Таким образом, данный механизм имеет значение:
а) создает и поддерживает трансмембранный градиент концентрации
для ионов Na+ и К+ в состоянии покоя и в состоянии возбуждения;
б) формирует разность потенциалов, суммирующуюся с потенциалом
покоя или потенциалом действия. Это происходит потому, что насос
электрогенен: на 3 иона Na+, вынесенного из клетки, вносится 2 иона
К+, т.е.
Указанные процессы приводят к формированию электрического состояния ткани
как в покое, так и в возбуждении.
7
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ И ЕГО ПРИРОДА.
Термином
мембранный
потенциал
или
ПП
принято
называть
трансмембранную разность потенциалов, существующую между цитоплазмой и
окружающей средой (наружным раствором). Когда клетка находится в состоянии
физиологического покоя, её внутренний потенциал электроотрицателен по
отношению к наружному. У различных клеток потенциал варьирует от −50 до
−90 мВ. Измерение ПП: техника внутриклеточных микроэлектродов.
Природа ПП. В состоянии физиологического покоя мембрана больше
проницаема (в 25 раз) для ионов К+, чем для ионов Na+ и Cl-. Следовательно, К+
устремляется из клетки по градиенту концентрации в наружную среду. Большие
органические анионы не могут пройти через мембрану и поэтому не способны
сопровождать ионы К+. В этом случае каждый выходящий ион К+ будет
оставлять после себя в клетке отрицательный заряд. Такое движение ионов К + по
законам диффузии будет происходить до тех пор, пока их концентрация по обе
стороны мембраны не выровняется. Но разности потенциалов в этом случае ещё
сформироваться не может. Подключается механизм ионного насоса, который
постоянно поддерживает градиент концентрации ионов К+ и, таким образом,
обеспечивает постоянное движение ионов К+ через систему ионных каналов
мембраны клетки. В результате между внутренней и внешней поверхностями
клетки возникает разность потенциалов, которая, если учитывать только
движение ионов К+, согласно формуле Нернста равна:
K н
EK  58 lg   97,5 мВ
K в
Однако мембрана проницаема и для ионов Na+
и Cl-, хотя очень
незначительно. Это снижает величину ПП до −80 −70 мВ.
Как это происходит, наглядно демонстрирует формула Ходжкина-Катца:
E M  58 lg


 
 
 
 


P K  н  P Na  н  P Cl  н
,
P K  в  P Na  в  P Cl  в
где учитывается не только концентрация всех потенциалобразующих
ионов, но и проницаемость мембраны для них в данном состоянии клетки.
8
В результате всего описанного, мембрана в покое находится в состоянии
статической
(постоянной)
поляризации,
внутри
клетка
заряжается
элеткроотрицательно по отношению к наружной поверхности мембраны.
Na+
−
−
+
+
Na+
−
−
+
−
−
+
+
−
Na+
+
−
+
К+
+
−
−
+
К+
К+
+
Na+
−
Na+
+
−
+
−
Na+
При нанесении на клетку мышечной ткани или нервное волокно
порогового раздражения мембранный потенциал начинает изменяться, что
называется состоянием деполяризации, в результате которой происходит
перезарядка мембраны и формирование ПД – потенциала действия, который
отражает наличие в клетке или нервном волокне процесса возбуждения.
ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ И ЕГО ПРИРОДА.
Причиной возникновения потенциала действия – ПД – в нервных и
мышечных волокнах является изменение ионной проницаемости их мембраны.
При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na
резко увеличивается (PNa в 20 раз больше, чем РК). Поэтому поток положительно
заряженных ионов Na внутрь клетки начинает значительно превышать поток
ионов К из клетки. Происходит это движение по механизму пассивного
транспорта, выравниванию же концентрации ионов Na по обе стороны мембраны
препятствует, как и в случае с ПП, работа Na,К-насоса. В результате этого
происходит перезарядка мембраны – её деполяризация.
9
Na+
Na+
−
−
+
+
−
−
+
−
−
+
−
+
+
К+
К+
+
Na+
+
−
К+
+
−
+
−
Na+
−
Na+
+
+
−
−
Na+
Плотность ионных каналов на поверхности мембраны:
для ионов Na
50 на 1 мкм2
для ионов К
несколько меньше
Величина пор: для ионов Na → 0,8 нм
для ионов К → 0,3 нм
В результате описанных процессов возникает разность потенциалов
обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным
положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит
реверсия мембранного потенциала до величины +30-+40 мВ.
Электрографически
возбуждения
процесс
представляет
собой
перезарядки
график
ПД
мембраны
в
условиях
(изучали
с
помощью
микроэлектродной техники на гигантском аксоне кальмара)
10
с
+30
mV
0
b
-80
mV
d
e
a
f
Фазы потенциала действия:
ав – местная деполяризация (локальный ответ),
вс – распространяющаяся деполяризация, восходящая часть «спайк»-потенциала,
сd – реполяризация (нисходящая часть «спайк»-потенциала),
de – следовая деполяризация (следовой отрицательный потенциал),
ef – следовая деполяризация (следовой положительный потенциал).
de и ef – открыты Воронцовым в 1926 г. Подробно изучены Гассер и Эргангер.
Таким образом, в состоянии возбуждения на мембране развивается:
а) деполяризация
Каждое
состояние
мембраны
имеет
б) реполяризация
количественную оценку как часть ПД (мВ) и свой
В) гиперполяризация
собственный ионный механизм
Процесс деполяризации связан с селективной проницаемостью ионных
каналов для Na. Повышение проницаемости для ионов Na продолжается очень
короткое время – 1 мс! Вслед за этим в клетке начинаются восстановительные
процессы, приводящие к тому, что проницаемость для Na вновь уменьшается, а
для К – возрастает. Это называется натриевой инактивацией.
11
В результате поток положительно заряженных ионов Na внутрь
протоплазмы резко ослабевает, а увеличение калиевой проницаемости вызывает
усиление потока положительно заряженных ионов К из протоплазмы во внешний
раствор. Параллельно усиливается работа Na,К–насоса по возвращению к
исходной полярности. Это приводит к реполяризации мембраны, т.е.
возвращению
к
исходной
полярности.
Состояние
гиперполяризации
развивается в результате повышенной калиевой проницаемости мембраны в
конце процесса возбуждения, которая возникает как «шлейф» последействия
процесса возбуждения. В результате мембрана получает разность потенциалов
еще большую, чем была в состоянии покоя.
Соответствие
фаз
потенциала
действия
электрическим
состояниям
мембраны
Деполяризация – происходит перезарядка мембраны сначала до нуля, а
затем, так как поток ионов Na во внутрь клетки продолжается, формируется
заряд на поверхности мембраны +30 мВ (АВ – местный потенциал, ВС –
восходящая ветвь спайк-потенциала).
Реполяризация – натриваевая инактивация приводит к снижению потока
Na внутрь клетки, калиевая проницаемость растет, полярность клетки стремится
к исходной величине до -60 мВ (CD – нисходящая часть спайк-потенциала).
Реполяризация
происходит
волнообразно,
что
отражается
через
формирование следового отрицательного потенциала – тормозится калиевая
проницаемость, а проницаемость для Na растет. Формируется разность
потенциалов – СОП, который затем становится равным ПП - -80 мВ (отрезок
EF).
Гиперполяризация
–
количественно
выражается
следовым
положительным потенциалом – до -100 мВ – СПП (отрезок FK).
Следовые
потенциалы.
Следовые
потенциалы
являются
очень
чувствительными к концентрации ионов К+ во внеклеточной среде: при
увеличении содержания К+ они уменьшаются. Следовые потенциалы впервые
12
были зарегистрированы Д.С. Воронцовым в 1926 г., а затем подробно изучены
Эрлангером и Гассером. Амплитуда этих потенциалов не превышает нескольких
милливольт, а длительность – от нескольких миллисекунд до нескольких
десятков
и
сотен
секунд.
Обусловлены
следовые
потенциалы
восстановительными процессами в клетке вслед за возбуждением.
СВОЙСТВА ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ.
1.
Возникает на действие пороговых и сверхпороговых раздражителей
(подчиняется закону «всё или ничего»).
2.
Возникает на фоне местной деполяризации (локального ответа), которая
по величине должна достигнуть критического уровня – КУД.
3.
ПД не растет ни во времени, ни в пространстве при усилении
раздражителя и увеличении времени его действия.
4.
ПД распространяется без затухания (бездекрементный процесс).
5.
При действии частотного раздражителя отдельно возникнувшие ПД в
ответ на действие каждого раздражителя не суммируются.
6.
Длительность ПД в среднем значении 1-3 мс, амплитуда – 110-120 мВ.
ИЗМЕНЕНИЕ ВОЗБУДИМОСТИ В ПРОЦЕССЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ.
Способность формировать новый процесс возбуждения в условиях
частотного раздражения зависит от изменения возбудимости в процессе
возбуждения. Для выявления этого на возбудимую ткань наносят два
последовательно
действующих
раздражителя
в
интервале
времени,
соответствующем:
1) ЛО – МП (локальному ответу – местному потенциалу);
2) Спайк-потенциалу (его восходящей и нисходящей ветви)
3) СОП – следовый отрицательный потенциал;
4) СПП – следовый положительный потенциал;
13
В результате выяснилось:
1. Во время локального ответа (местной деполяризации) возбудимость
несколько повышена – достаточно действия допорогового раздражителя для
возникновения «спайк-потенциала».
2. Периоду возникновения и развития пика «спайк-потенциала»
соответствует полная невозбудимость клетки – абсолютная рефрактерность.
Ткань не реагирует даже на сверхпороговые раздражители. Длительность этой
фазы совпадает с длительностью спайка ПД – 0,4-0,5 мс.
3.
В
условиях
реполяризации
возбудимость
постепенно
восстанавливается и ткань может отреагировать, но только на сверхпороговые
раздражители – относительная рефрактерность.
Согласно Ходжкину и Хаксли рефрактерность обусловлена тем, что
вслед за начальной деполяризацией, приводящей к возникновению потенциала
действия, развивается процесс натриевой инактивации, и в то же время
повышается калиевая проницаемость для мембраны. Результатом этого является
невозможность мембраны отвечать потенциалом действия на новое раздражение.
Постепенно устраняется натриевая инактивация и нормализуется калиевая –
формируется состояние относительной рефрактерности.
В конце фазы относительной рефрактерности возбудимость не только
восстанавливается до нормального уровня, но и превышает его. Это фаза
супернормальной возбудимости (ткань может отреагировать на подпороговый
раздражитель). Механизм заключается в резком снижении критического уровня
деполяризации. Чем больше длится следовая деполяризация, тем дольше фаза
супернормальной возбудимости (средняя длительность – 12-30 мс).
В тех тканях, где отмечается гиперполяризация – СПП - за фазой
супернормальной возбудимости следует фаза субнормальной возбудимости.
Механизм снижения возбудимости в эту фазу заключается в увеличении
критического уровня деполяризации.
14
ДИНАМИКА ВОЗБУДИМОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ
(к практическому занятию № 2)
+30
mV
D
0
КУД
C
E
-60
-90
mV
А
B
F
K
супернормальная
возбудимость
100% возбудимость
субнормальная
возбудимость
относительная рефрактерность
абсолютная рефрактерность
1 мс
АВ – латентный период
ВС – местная деполяризация (локальный ответ)
СD – быстрая деполяризация (распространяющийся потенциал)
DE – реполяризация
EF – следовый отрицательный потенциал (следовая деполяризация)
FK – следовый положительный потенциал (следовая гиперполяризация)
15
ИОННАЯ ПРИРОДА ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАНЫ.
ИОННЫЕ КАНАЛЫ.
В основе ионной проницаемости мембраны в процессе генерации потенциала
действия и потенциала покоя лежат механизмы открытия и закрытия
специализированных ионных каналов в мембране. Они обладают следующими
свойствами:
1) избирательной (селективной) проницаемостью по отношению к
определенным ионам,
2) электровозбудимостью, т.е. способностью открываться и закрываться в
ответ на изменение мембранного потенциала.
Также как ионные насосы, ионные каналы образованы молекулами белков,
пронизывающими липидный бислой. Химическая структура этих молекул еще
не расшифрована. Принято считать, что ионный канал состоит из собственно
транспортной системы и, так называемого, воротного механизма («ворот»),
упраляемого электрическим полем мембраны. «Ворота» могут находиться в двух
положениях: они полностью открыты или полностью закрыты, поэтому
проводимость одиночного канала – величина постоянная. Суммарная же
проводимость мембраны для того или иного иона определяется числом
одновременно открытых каналов, проницаемых для данного иона:
q  N  a
где: q – суммарная проницаемость мембраны для внутриклеточного иона,
N – общее число соответствующих ионных каналов (на данном участке
мембраны),
γ – проводимость одиночного канала,
а – доля открытых каналов.
По своей селективности ионные каналы нервных и мышечных клеток
подразделяются на: 1 – натриевые, 2 – калиевые, 3 – кальциевые, 4 – хлорные.
Селективность каналов не абсолютна: название канала указывает лишь ион, для
которого канал наиболее проницаем.
16
Через открытые каналы ионы движутся по: 1) концентрационному и 2)
электрическому градиентам.
Натриевые каналы.
Канал (1) образован макромолекулой белка (2), суженная часть которого
соответствует «селективному» фильтру для натрия. В канале имеются
активационные (m) и инактивационные (h) «ворота», которые управляются
электрическим полем мембраны. При потенциале покоя (рис. а) наиболее
вероятным является «закрыто» для активационных ворот и положение
«открыто» для инактивационных. Деполяризация мембраны (рис. б) приводит к
быстрому открыванию m-«ворот» и медленному закрыванию h-«ворот».
Поэтому в начальный момент деполяризации обе пары «ворот» оказываются
открытыми и через канал могут двигаться ионы в соответствии с их
концентрацией
и
электрическим
градиентом.
При
продолжающейся
деполяризации (рис. в) инактивационные «ворота» закрываются и канал
переходит в состояние инактивации. Этим механизмом объясняется быстрая
деполяризация мембраны и период формирования «спайк»-потенциала и
нисходящая ветвь «спайк»-потенциала во время реполяризации.
Калиевые каналы.
Функциональная организация калиевых каналов сходна с организацией
натриевых. Селективность калиевых каналов выше натриевых: для натрия
калиевые каналы практически непроницаемы, т. к. диаметр их селективного
фильтра около 0,3 нм (для натриевых – 0,8 нм). Активация калиевых каналов
происходит гораздо медленнее, чем натриевых. Вообще, соотношение между
процессами активации и инактивации для калиевых каналов характерно только
для нервных волокон. Наряду с быстроактивирующимися каналами в мышечной
и нервной ткани, обнаруживаются и быстроинактивируемые. Так же есть
калиевые каналы, которые активируются не мембранным потенциалом, а
внутриклеточным содержанием Са2+ (мышечная ткань).
17
Потенциал покоя
Местная деполяризация
Начальная деполяризация
Реполяризация
Деполяризация
18