Введення
Подразливість - це загальна властивість тканин реагувати на різні подразники.
Збудливість - більш вузьке поняття, яке характеризує властивість тканин порушуватися у відповідь на дію подразника. Тканини, що володіють цією властивістю, називаються збудливими. Виявляється збудження виникненням потенціалу дії. В основі порушення лежать складні фізико-хімічні процеси. Початковий пусковий момент порушення - зміни іонної проникності і електричних потенціалів мембрани. Збудливі тканини мають ряд властивостей: подразливість - здатність тканин сприймати роздратування, збудливість - здатність тканин реагувати збудженням на подразнення, провідність - здатність поширювати збудження, лабільність - швидкість протікання елементарних циклів збудження. Лабільність відображає час, протягом якого тканину відновлює працездатність після чергового циклу порушення. Поріг подразнення (у фізіології нервових і м'язових клітин), найменша сила подразника (зазвичай електричного струму), здатна викликати поширюється потенціал дії
Методи вивчення описаних явищ різноманітні. Так, про збудливості можна судити за найменшою силі подразника, необхідної для виникнення тієї чи іншої рефлекторної реакції або за порогової силі струму або пороговому зрушення потенціалу, достатнім для виникнення ПД. Тут необхідно ввести такі поняття, як Реобаза і хронаксія. Реобаза (від грец. Rheos - течія, потік і basis - хід, рух, адже основа), найменша сила постійного електричного струму, що викликає при достатній тривалості його дії збудження в живих тканинах. Поняття Реобаза і хронаксіі ввів у фізіологію Л. Лапіки в 1909, визначаючи залежність між силою струму і тривалістю його дії при вивченні найменшого (порогового) ефекту збудливих тканин. Реобаза, як і хронаксія, дає уявлення про збудливості тканин і органів по порогу сили і тривалості дії роздратування. Реобаза відповідає порогу подразнення і виражається у вольтах або міліамперах. Значення Реобаза можна обчислити за формулою: i = a / t + b, де i - сила струму, t - тривалість його дії, а й b - константи, які визначаються властивостями тканини. Константа b є Р., тому що при тривалій дії дратівної струму ставлення a / t буде дуже мало і i практично дорівнює b. Р. нерідко називаються порогові значення не тільки електричних, але і інших подразників. Хронаксія (від грец. Chronos - час і axia - ціна, міра), найменший час дії на тканину постійного електричного струму подвоєною порогової сили (подвоєною Реобаза), що викликає збудження тканини. Було також експериментально встановлено (голландський фізик Л. Горвег, 1892, французький фізіолог Ж. Вейс, 1901), що величина стимулу, що викликає збудливий ефект у тканинах, перебуває у зворотній залежності від тривалості його дії і графічно виражається гіперболою - крива <сила - час . Мінімальна сила струму, яка при необмежено боргом дії викликає ефект збудження (Реобаза), відповідає на малюнку відрізку OA (BC). Найменша т. н. корисний час дії порогового дратуючи
ючої стимулу відповідає відрізку OC (корисне тому, що подальше збільшення часу дії струму не має значення для виникнення потенціалу дії). При короткочасних подразненнях крива сили - часу стає паралельної осі ординат, тобто порушення не виникає при будь-якій силі подразника. Наближення кривої асимптотично до лінії, паралельної абсциси, не дозволяє досить точно визначати корисний час, тому що незначні відхилення Реобаза, що відображають зміни функціонального стану біологічних мембран в спокої, супроводжуються значними коливаннями часу роздратування. У зв'язку з цим Лапіки запропонував вимірювати іншу умовну величину - хронаксію, тобто час дії подразника, рівне подвійний Реобаза [на малюнку відповідає відрізку OD (EF)]. При даній величині подразника найменший час його дії, при якому можливий граничний ефект, одно OF. Встановлено, що форма кривої, що характеризує збудливість тканини в залежності від інтенсивності і тривалості дії подразника, однотипна для найрізноманітніших тканин. Відмінності між ними стосуються тільки абсолютного значення відповідних величин і, перш за все, часу, тобто збудливі тканини відрізняються один від одного тимчасової константою роздратування. Лабільність можна виміряти, дратуючи тканину електричним струмом різної частоти. Момент, коли тканина відбудеться перетворення ритму (тканина перестане відтворювати заданий ритм без змін) і буде лабільністю даної тканини. Одиниці її вимірювання - кількість відтворених імпульсів за одиницю часу [імп. / сек. (Мін.), і т. д.]. Провідність можна охарактеризувати відстанню, подоланим імпульсом за одиницю часу, тобто швидкістю поширення імпульсу.
Історія питання.
Вивчався це питання давно. Багатьох учених цікавив той факт, що деякі тварини здатні генерувати <електричний струм. Це явище було названо <тварина електрику. До цього часу належить початок досліджень італійського фізіолога і лікаря Л. Гальвані, що заклали основу вчення про Б. п. Багаторічний науковий спір (1791-97) між Л. Гальвані і фізиком А. Вольта про природу <тваринної електрики завершився двома великими відкриттями: були отримані факти про існування біоелектричних явищ у живих тканинах та відкрито новий принцип отримання електричного струму за допомогою різноманітних металів - створено гальванічний елемент (вольтів стовп). Правильна оцінка спостережень Гальвані стала можливою лише після застосування досить чутливих електровимірювальних приладів - гальванометрів. Перші такі дослідження були проведені італійським фізиком К. Маттеуччі (1837). Систематичне вивчення біопотенціалів було розпочато німецьким фізіологом Е. Дюбуа-Реймон (1848), який довів існування біопотенціалів в нервах і м'язах у спокої і при збудженні. Але йому не вдалося (через велику інерційності гальванометра) зареєструвати швидкі, що тривають тисячні частки секунди коливання біопотенціалів при проведенні імпульсів уздовж нервів і м'язів. У 1886 німецький фізіолог Ю. Бернштейн проаналізував форму потенціалу дії; французький вчений Е. Ж. Марей (1875) застосував для запису коливань потенціалів серця, що б'ється капілярний електрометрії; російський фізіолог Н. Е. Введенський використовував (1883) для прослуховування ритмічних розрядів імпульсів в нерві і м'язі телефон, а голландський фізіолог В. Ейнтховен (1903) ввів в експеримент і клінічну практику струнний гальванометр - високочутливий і малоінерційний прилад для реєстрації електричних струмів в тканинах. Значний внесок у вивчення біопотенціалів внесли російські фізіологи: В. В. Правдіч-Немінскій (1913-21) вперше зареєстрував електроенцефалограму, А. Ф. Самойлов (1929) досліджував природу нервово-м'язової передачі збудження, а Д. С. Воронцов (1932) відкрив слідові коливання біопотенціалів, що супроводжують потенціал дії в нервових волокнах. Подальший прогрес у вивченні біопотенціалів був тісно пов'язаний з успіхами електроніки, що дозволили застосувати в фізіологічному експерименті електронні підсилювачі і осцилографи (роботи американських фізіологів Г. Бішопа, Дж. Ерлангера та Г. Гассера в 30-40-г рр.. 20в.). Вивчення біопотенціалів в окремих клітинах і волокнах стало можливим з розробкою мікроелектронної техніки. Важливе значення для з'ясування механізмів генерації біопотенціалів мало використання гігантських нервових волокон головоногих молюсків, головним чином кальмара. Діаметр цих волокон в 50 - 100 разів більше, ніж у хребетних тварин, він досягає 0,5-1 мм, що дозволяє вводити всередину волокна мікроелектроди, ін'єктувати в протоплазму різні речовини і т.п. Вивчення іонної проникності мембрани гігантських нервових волокон дозволило англійським фізіологам А. Ходжкіна, А. Хакслі і Б. Катцу (1947-52) сформулювати сучасну мембранну теорію збудження.
Потенціал спокою. Потенціал дії.
Потенціал спокою (ПП) - різниця потенціалів між вмістом клітини (волокна) і позаклітинної рідиною; стрибок потенціалу локалізується на поверхневій мембрані, при цьому її, внутрішня сторона заряджена електронегативно по відношенню до зовнішньої. Потенціал спокою обумовлений нерівністю концентрацій, іонів Na +, К + і Cl-по обидві сторони клітинної мембрани і неоднаковою її проникність для цих іонів. У нервових і м'язових клітинах потенціал спокою бере участь у підтриманні стану готовності молекулярної структури мембрани до порушення у відповідь на дію подразника. Всі впливу на клітину, що викликають тривалий стійке зниження потенціалу спокою. (Наприклад, порушення обміну речовин, підвищення позаклітинного змісту іонів К +, дія сильного електричного струму і т.д.), ведуть до зниження збудливості клітини або до повної втрати нею здатності до генерації потенціалів дії. У живих клітин в спокої між внутрішнім вмістом клітини і зовнішнім розчином існує різниця потенціалів (ПП) близько 60-90мв, яка локалізована на поверхневій мембрані. Внутрішня сторона мембрани заряджена електронегативно по відношенню до зовнішньої.
Концентрація К + в протоплазмі приблизно в 50 разів вище, ніж у позаклітинній рідині, тому, диффундируя з клітки, іони виносять на зовнішню сторону мембрани позитивні заряди, при цьому внутрішня сторона мембрани, практично не проникною для великих органічних аніонів, набуває негативний потенціал. Оскільки проникність мембрани у спокої для Na + приблизно в 100 разів нижче, ніж для К +, дифузія натрію з позаклітинної рідини (де він є основним катіоном) у протоплазму мала і лише незначно знижує ПП, обумовлений іонами К +. У скелетних м'язових волокнах у виникненні потенціалу спокою важливу роль відіграють також іони Cl-, диффундирующие всередину клітини. Наслідком ПП є струм спокою, реєстрований між пошкодженою і інтактним ділянками нерва або м'язи при додатку, що відводять. Мембрани нервових і м'язових клітин (волокон) здатні змінювати іонну проникність у відповідь на зрушення мембранного потенціалу. При збільшенні ПП (гіперполяризація мембрани) проникність поверхневих клітинних мембран для Na + і К + падає, а при зменшенні ПП (деполяризація) вона зростає, причому швидкість змін проникності для Na + значно перевищує швидкість збільшення проникності мембрани для К +. Нерівність концентрацій іонів К + і Na + (або Ca +) всередині і зовні клітини (волокна) підтримується спеціальним механізмом (т. зв. <Натрієвих насосом), виштовхує іони Na + з клітини і нагнітає іони К + в протоплазму, які вимагають витрати енергії, яка черпається клітиною в процесах обміну речовин. Робота таких механізмів забезпечується, як правило, енергією, що виділяється при розщепленні аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ); таким чином, іонні насоси одночасно виконують функцію ферментів, що розщеплюють АТФ і званих АТФ-ази. Активний перенесення Na + з клітини пов'язаний з транспортом К + у зворотному напрямку і здійснюється особливою ферментної системою - транспортної Na, К, - стимулируемой аденозинтрифосфатаза, локалізованої в клітинній мембрані. Остання, гидролизуя аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), вивільняє енергію, яка і витрачається на активне перенесення катіонів. Робота насоса в цілому залежить від рівня метаболізму клітини.
Потенціал дії.
Потенціал дії (ПД). Всі подразники, що діють на клітину, викликають у першу чергу зниження ПП; коли воно досягає критичного значення (порогу), виникає активний поширюється відповідь - ПД. Під час висхідної фази ПД короткочасно перекручується потенціал на мембрані: її внутрішня сторона, заряджена в спокої електронегативно, набуває в цей час позитивний потенціал. Досягнувши вершини, ПД починає падати (спадна фаза ПД), і потенціал на мембрані повертається до рівня, близького до початкового, - ПП. Повне відновлення ПП відбувається тільки після закінчення слідових коливань потенціалу - слідової деполяризації або гіперполяризації, тривалість яких зазвичай значно перевершує тривалість піку ПД. Згідно мембранної теорії, деполяризація мембрани, викликана дією подразника, приводить до посилення потоку Na + всередину клітини, що зменшує негативний потенціал внутрішньої сторони мембрани - підсилює її деполяризацію. Це, у свою чергу, викликає подальше підвищення проникності для Na + і нове посилення деполяризації і т.д. У результаті такого вибухового кругового процесу, т. зв. регенеративної деполяризації, відбувається перекручення мембранного потенціалу, характерне для ПД. Підвищення проникності для Na + дуже короткочасно і змінюється її падінням (рис. 3), а отже, зменшенням потоку Na + всередину клітини. Проникність для К +, на відміну від проникності для Na +, продовжує збільшуватися, що призводить до посилення потоку К + з клітини. У результаті цих змін ПД починає падати, що веде до відновлення ПП. Такий механізм генерації ПД в більшості збудливих тканин. Існують, однак, клітини (м'язові волокна ракоподібних, нервові клітини у ряду черевоногих молюсків, деякі рослинні клітини), у яких висхідна фаза ПД обумовлена підвищенням проникності мембрани не для іонів Na +, а для іонів Ca +. Своєрідний також механізм генерації ПД в м'язових волокнах серця, для яких характерне тривале плато на низхідній фазі ПД.
Іонні механізми потенціалу дії.
У нервових волокнах висхідна фаза ПД пов'язана з активацією т. н. швидких натрієвих каналів (БНК), а спадна фаза - з інактивацією БНК і активацією калієвих каналів (КК). На такому ж механізмі заснована генерація ПД у волокнах скелетних м'язів хребетних. В м'язових волокнах серця активація БНК забезпечує тільки початковий підйом ПД Характерне ж для цих волокон плато ПД пов'язано з активированием повільних натрій-кальцієвих каналів (МНК).
Вивчення фізико-хімічних властивостей іонних каналів важливо не тільки для розшифровки їх молекулярної структури, але і для розробки методів управління генерацією ПД в різних клітинах. Встановлено, що БНК специфічно блокуються тетродотоксином (отрутою японської риби-шар і каліфорнійських саламандр), а також новокаїном, кокаїном та ін місцевими анестезуючими засобами. МНК і МКК до цих агентам нечутливі, але блокуються іонами Mn2 +, Со2 +, Ni2 +, La3 + та органічними сполуками - изоптин (використовуваним в кардіологічній практиці) і його дериватом Д-600. Більшість КК ефективно блокується тетраетіламмоніем. Пусковий вплив ПД на такі внутрішньоклітинні процеси, як скорочення міофібрил (у скелетних, гладеньких і серцевої м'язах), нейросекреції (в деяких спеціалізованих нейронах і нервових закінченнях) і т.д., здійснюється в результаті прямого впливу електричного імпульсу; на внутрішньоклітинні структури (викид ) іонів Ca2 + з саркоплазматичної мережі м'яза) і впливу на ці структури іонів Ca2 +, проникаючих всередину клітини під час ПД.
Зміна збудливості тканини при її порушенні.
Фазові коливання потенціалу дії впливають на збудливість клітини. Зміни збудливості також мають фазовий характер і знаходяться в тісному взаємозв'язку з ПД.
Максимальна збудливість клітини відповідає фазі ПП. Розглянемо Схему співвідношення ПД і збудливості. При деполяризації мембрани збудливість підвищується (фаза латентного доповнення) (1). Після досягнення мембранним потенціалом критичного рівня деполяризації відбувається овершут. У цей момент збудливість практично миттєво падає до нуля. Це - фаза абсолютної рефрактерності (2). Ні один імпульс, який прийшов у цю фазу не здатний порушити клітку. У міру відновлення мембранного потенціалу (реполяризації) відновлюється і збудливість (фаза відносної рефрактерності) (3). У цю фазу надпорогових подразники здатні порушити клітку. Ця фаза зумовлена підвищенням проникності мембрани для іонів K +, який виходить з цитоплазми, знижуючи заряд мембрани всередині клітини. У фазу слідової деполяризації збудливість трохи перевищує нормальну - фаза екзальтації (4). Однак, оскільки K + - канали повільні, то калій виходить з клітки навіть у кілька надмірній кількості, що веде до виникнення гіперполяризації. Збудливість при цьому дещо знижується (фаза субнормальний збудливості) (5). Після цього мембранний потенціал приходить до початкового значення, відновлюється і збудливість (6).