Законы раздражения возбудимых тканей

1- й закон. Пороговое раздражение зависит не только от абсолютной величины раздражителя, но и от крутизны нарастания раздражения во времени.

Закон сформулирован французским физиологом Э. Дюбуа-Рей- моном, который обнаружил, что ткань отвечает на раздражение при

Рис. 1.2. При медленном нарастании тока в ткани ре­гистрируется только мест­ный потенциал (Д). При быстром нарастании на­пряжения раздражающего тока возникает потенциал действия (Б). Стрелки — включение и выключение электрического тока
резком нарастании тока пороговой силы. Ток пороговой силы при медленном нарастании не оказывает раздражающего действия на ткань. Крутизна фронта раздражающего тока является, таким об­разом, критической для раздражения тканей (рис. 1.2).

2- й закон. Раздражение зависит от времени действия раздра­жителя.

Установлено, что пороговое раздражение, произведенное крат­ковременно, становится подпороговым. Следовательно, для ответ­ной реакции ткани важное значение имеет время раздражения.

Зависимость между величиной раздражения и временем его дей­ствия отражает кривая «силы-времени» (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Кривая Вейса—Лапика «силы-времени»: по оси абсцисс — время действия раздражителя; по оси ординат — величина раздраже­ния (напряжение тока)

 

Кривая «силы-времени» постулирует:

• для того чтобы вызвать ответную реакцию ткани, пороговый раздражитель должен иметь определенное время действия;

• если время действия порогового раздражителя меньше кри­тического, раздражитель становится подпороговым;

• для надпороговых раздражителей для ответной реакции ткани необходимо меньшее время действия.

Пороговая, минимальная величина напряжения тока, способ­ная вызвать возбуждение ткани, получила название реобаза.

Время, в течение которого электрический ток величиной в одну реобазу вызывает ответ ткани, называется полезным временем.

Измерение возбудимости ткани по порогу не точно. Пороговая величина раздражителя все время изменяется в соответствии с из­менением функционального состояния ткани. При незначительном изменении порога время его действия меняется значительно. По­этому предложено измерять возбудимость тканей другой условной величиной — хронаксией.

Хронаксия — время, в течение которого ток, равный удвоенной реобазе, вызывает ответную реакцию ткани. При удвоенной реобазе точка раздражения приходится на крутую часть кривой «силы-вре­мени», в результате при незначительных изменениях возбудимости тканей она значительно не изменяется (см. рис. 1.3).

Кривые «силы-времени» и хронаксия различны у различных тканей и разных живых существ. У человека, например, хронаксия измеряется в миллисекундах. У гладкой мышцы улиток и желудка лягушек — в десятых и сотых долях секунды.

Измерение хронаксии получило название хронаксиметрии.

В практическом плане хронаксия имеет ряд недостатков:

• в целой мышце и нерве, используя хронаксию, нельзя опреде­лить поражение отдельных мышечных и нервных волокон;

• хронаксия характеризует только реакцию возбудимой ткани на одиночный стимул и не параметризует реакцию ткани на ритмический раздражитель.

Функциональная лабильность — способность возбудимых тканей воспроизводить частоту поступающих на них раздражений без трансформации (Н. Е. Введенский). Различные ткани обладают разной функциональной лабильностью. Наиболее лабильна нервная ткань. Так, диафрагмальный нерв может воспроизводить частоту импульсов без трансформации до тысячи в секунду.

Функциональная лабильность соматических нервов — 200— 300 имп./с, поперечно-полосатых мышц — 100—200 имп./с. Наи­более низкая функциональная лабильность у нервно-мышечных синапсов — 30—50 имп./с.

Оптимум и пессимум раздражения. Если ритм раздражений соответствует функциональной лабильности возбудимой ткани, то
ткань отвечает на каждый стимул. Состояние возбудимой ткани при этом получило название оптимума. В случае, когда частота подавае­мых раздражений превышает функциональную лабильность ткани, в ней развивается состояние пессимума (рис. 1.4). Оптимум и пес- симум могут развиваться также при уменьшении или увеличении силы раздражения.

Пессимум

Рис. 1.4. Оптимум и пессимум сокращения мышцы:

А — оптимум сокращения мышцы при раздражении, частота которого соответ­ствует ее функциональной лабильности; Б— при частоте раздражения, не со­ответствующей функциональной лабильности мышцы, она перестает отвечать на раздражение, развивается состояние пессимума. Стрелки — включение и выключение раздражения. Вертикальные черточки — частота раздражающих импульсов

 

Механизм оптимума и пессимума. Механизм пессимума об­условлен продолжительностью абсолютной рефрактерной фазы воз­будимой ткани. Механизм оптимума определяется продолжитель­ностью фазы супернормальной возбудимости ткани (экзальтации):

• если последующие раздражающие импульсы попадают в пе­риод абсолютной рефрактерности от предыдущих, новый цикл возбуждения не возникает;

• если последующие раздражающие импульсы попадают в пе­риод супернормальной возбудимости от предшествующих циклов возбуждения, ответная реакция возрастает до опти­мальной величины.

3- й закон. Раздражение зависит от продолжительности дей­ствия раздражителя во времени.

Изменение порога раздражения во времени получило название аккомодация. Это еще один фактор, характеризующий ответ воз­будимой ткани на раздражение. Любая ткань реагирует на внешнее воздействие постепенным повышением порога возбудимости.

Аккомодация определяет повышение порога раздражения в за­висимости от скорости (крутизны) нарастания силы раздражителя. При медленном нарастании тока он может не вызвать возбуждения вследствие снижения возбудимости ткани (рис. 1.5). В основе яв­ления аккомодации лежит инактивация натриевой и повышение калиевой проводимости мембраны возбудимой ткани.

Рис. 1.5. Изменение амплитуды потенциалов действия изолирован­ного нервного волокна при нарастании раздражающего тока: по оси абсцисс — время; по оси ординат — напряжение раздражающего тока

 

Разные ткани обладают разной аккомодацией. Чувствительные нервы обладают меньшей аккомодацией по сравнению с двигатель­ными. Болевые нервные волокна не обладают аккомодацией.

Особенно отчетливо аккомодация проявляется при действии на ткань постоянного тока. При действии постоянного тока ответ тка­ни наблюдается только при замыкании и размыкании цепи тока.

Раздражение тканей постоянным током имеет следующие осо­бенности.

Полярный закон (Э. Пфлюгер). Закон устанавливает место воз­никновения возбуждения в возбудимых тканях при действии по­стоянного тока:

• при замыкании цепи постоянного тока возбуждение возни­кает под катодом;

• при размыкании цепи постоянного тока возбуждение возни­кает на аноде.

Закон физиологического электротона. При начальном про­хождении постоянного тока через возбудимую ткань под катодом возбудимость повышается (катэлектротон), а под анодом — по­нижается (анэлектротон). При продолжающемся действии посто­янного тока под катодом развивается понижение возбудимости (ка- тодическая депрессия), а под анодом — повышение возбудимости (анодная экзальтация).

Закон «Все или ничего» — способность возбудимой ткани от­вечать максимальной реакцией на пороговые и сверхпороговые раз­дражители.

При пороговых и сверхпороговых раздражениях возбудимые ткани порождают потенциал действия, который имеет постоянную величину. Ткань выдает максимум своих возможностей. При под­пороговых воздействиях местный потенциал имеет градуальный характер.

Парабиоз — устойчивая длительная деполяризация мембраны, полное снижение ее возбудимости (Н. Е. Введенский). Факторы, вызывающие парабиоз (нейротоксины, наркотики, химические агенты, нагревание, охлаждение и пр.), называются альтерирую­щими, они полностью блокируют ионные каналы возбудимых мем­бран. Парабиоз, возникающий при действии на возбудимые ткани (например, на нерв альтерирующих факторов), представляет особую форму «застойного» нераспространяющегося возбуждения. После устранения действия альтерирующих факторов ткань восстанавли­вает свои исходные свойства возбудимости и проводимости.

Н. Е. Введенский при ритмическом электрическом раздраже­нии нерва (на нервно-мышечном препарате при наложении на нерв хлористого калия) обнаружил три фазы в развитии парабиоза.

Фазы парабиоза

1- я фаза — провизорная, или уравнительная. В эту фазу сильное раздражение вызывает слабые ответные реакции ткани, а слабые,
подпороговые раздражители по-прежнему вызывают характерные для них слабые ответы. Величина ответов на раздражители разной силы в эту стадию становится одинаковой.

2- я фаза — парадоксальная. В эту фазу сильные раздражители вызывают меньшие по величине ответы, в то время как слабые раздражители, наоборот, вызывают увеличенные по амплитуде от­веты.

3- я фаза — тормозная. Характеризуется полной утратой про­водимости нерва и полным отсутствием реакции на раздражение (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Фазы парабиоза:

I — серии раздражений разной силы (слабые, средние, сильные);

II— V— ответные реакции на раз­дражения (// — до парабиоза,

III— уравнительная фаза, IV— па­радоксальная фаза, V— тормозная

фаза)

В настоящее время в понятие парабиоза включаются все ста­дии.

Электрографическая характеристика парабиоза. На рис. 1.7 показана динамика изменения одиночного цикла возбуждения в участке альтерации по мере развития парабиоза.

Рис. 1.7. Динамика измене­ний одиночного цикла возбуж­дения в участке альтерации по мере развития парабиоза:

А — равноценные ответы на два последующих раздражения; Б — второе раздражение попадает в фазу относительной рефрактер­ное™ от первого (уравнительная фаза); В— второе раздражение попадает в фазу экзальтации от первого (парадоксальная фаза); Г— второе раздражение попада­ет в фазу абсолютной рефрактер­ное™ от первого (тормозная фаза парабиоза). Стрелки — одиночные раздражения

Как видно из рис. 1.7, по мере развития парабиотического состо­яния волна потенциала действия начинает растягиваться во времени за счет удлинения следовых явлений. При этом также увеличивается продолжительность абсолютной рефрактерной фазы. Если повтор­ное раздражение попадает в период относительной рефрактерности, проявляется 1-я стадия парабиоза. По мере «растягивания» потен­циала действия повторные импульсы попадают в фазу повышен­ной возбудимости от предшествующих раздражений. В этом случае наблюдается 2-я стадия парабиоза. Наконец, если повторные раз­дражения попадают в растянутую абсолютную рефрактерную фазу,

наблюдается 3-я стадия парабиоза. Таким образом, парабиоз пред­ставляет «застойную» волну возбуждения. Эти «застойные» волны возбуждения не пропускают через место альтерации другие волны возбуждения. При этом в участке парабиоза замедлен ресинтез аце­тилхолина, а также снижается уровень АТФ. Внешне при этом на­блюдается торможение ответной реакции возбудимой ткани.

Н. Е. Введенский считал, что возбуждение и торможение по своей природе едины.

1.3. ВОЗБУЖДЕНИЕ

Возбуждение — процесс, развивающийся в возбудимой ткани под действием раздражителя.

Различают местный и распространяющийся процесс возбуж­дения. Местный процесс развивается в возбудимой ткани при дей­ствии подпороговых раздражителей. При достаточной силе раз­дражения процесс местного возбуждения переходит во взрывной процесс — распространяющийся процесс возбуждения.

Возбуждение возбудимых тканей характеризуется:

• изменением ионной проницаемости их мембран;

• электрическими процессами;

• работой метаболических насосов;

• изменением температуры возбужденного участка;

• изменением обмена веществ;

• изменением возбудимости.

Процесс возбуждения наиболее удовлетворительно объясняет мембранно-ионная теория (А. Ходжкин, Э. Хаксли, Б. Катц). Со­гласно этой теории, все клетки организма окружены полупроница­емыми мембранами, обладающими специфической избирательной ионной проницаемостью.

Морфофункциональная организация ионселективных каналов мембраны. Установлено, что полупроницаемость мембран определя­ет наличие в них электрически потенциалзависимых (для ионов Na⁺, К⁺, Са²⁺ и СГ) и потенциалнезависимых химически управляемых (например, для ионов К⁺) каналов и ионных насосов.

Ионные каналы состоят из поры, воротного механизма, сен­сора (индикатора) и селективного фильтра (рис. 1.8). Их состояние определяет напряжение ионов в самой мембране.

Рис. 1.8. Структура и механизм работы ионселективных каналов:

 

А — статическая поляризация, канал закрыт; Б — деполяризация, канал акти-
вирован; В — деполяризация, канал инактивирован

Пора— молекулярное динамическое образование, которое может нахо­диться в открытом и закрытом состоянии. Поры образованы транспортными ферментами — белками с высокой каталитической активностью. Эти белки способны переносить ионы через мембраны со скоростью, в 200 раз превыша­ющей скорость простой диффузии.

Воротный механизм — представлен двумя типами белковых молекул, рас­положенных на внешней (m-ворота) и на внутренней (h-ворота) сторонах мем­браны. Благодаря свойству конформации — изменению пространственной конфигурации молекул без изменения их химической структуры — воротный механизм в тысячные доли секунды открывает/активирует (m-ворота) и закры­вает (h-ворота) ионные каналы. Тем самым регулируется скорость продвижения ионов через мембранные каналы и обеспечивается квантовый характер посту­пления ионов в цитоплазму.

Сенсор напряжения ионов в мембране представлен белковой молекулой в самой мембране, способной реагировать на величину тока, протекающего в мембране.

Селективный фильтр располагается в наружной части ионных каналов. Он образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода. Эти заряды не пропускают анионы и притягивают катионы. Они определяют однонаправ­ленное движение ионов через каналы и их избирательную проницаемость.

Одиночный цикл возбуждения

Процесс возбуждения — дискретный и распространяющийся. При действии раздражителя процесс возбуждения включает процессы деполяризации, реполяризации и гиперполяризации мембран и осу­ществляется импульсами, каждый из которых составляет одиноч­ный цикл возбуждения. Одиночные циклы возбуждения являются информационными единицами. Из них складывается определенный рисунок, сообщение (паттерн) динамически распространяющегося по возбудимым тканям процесса возбуждения.

Электрическая характеристика одиночного цикла возбуж­дения. Одиночный цикл возбуждения в электрическом выражении состоит из следующих фаз (рис. 1.9): а) скрытый период; б) пред- спайк — местный, нераспространяющийся потенциал; в) спайк — распространяющийся потенциал (ток действия); г) отрицательный следовой потенциал; д) положительный следовой потенциал.

Рис. 1.9. Ионные токи Na⁺, К⁺
в соответствии с одиночным цик-
лом возбуждения:

1 — местный потенциал (предспайк);

2— спайк; 3— отрицательный сле-
довой потенциал; 4 — положитель-
ный следовой потенциал

Весь процесс одиночного цикла возбуждения составляет не­сколько миллисекунд (например, у нерва — от 1 до 10 мс). Ионная проницаемость мембраны определяет ее различные состояния: ста­тическую поляризацию, деполяризацию, реполяризацию и гипер­поляризацию.

Статическая поляризация — исходное состояние мембраны, предшествующее процессу возбуждения, состояние покоя. В состо­янии покоя между наружной и внутренней поверхностью клеточных мембран существует разность потенциалов — мембранный потен­циал, или потенциал покоя (калиевый потенциал).

Потенциал покоя, или мембранный потенциал, можно изме­рить, если один из отводящих электродов поместить на поверхности мембраны, а другой — ввести внутрь клетки. Разница напряжения между наружной и внутренней поверхностью мембраны — потен­циал покоя — составляет 50—60 мВ.

Потенциал покоя определяется неравномерным распределени­ем ионов между наружной и внутренней поверхностью мембраны.

Согласно мембранно-ионной теории, мембранный потенциал обусловлен неодинаковой проницаемостью мембраны возбудимых клеток для ионов Na⁺, К⁺ и СГ.

Цитоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30—50 раз больше ионов К⁺, в 8—15 раз меньше ионов Na⁺ и в 10—50 раз мень­ше ионов СГ по сравнению с внеклеточной жидкостью.

Неравномерное распределение ионов на мембранах в состоянии покоя определяется:

• наличием трансмембранных градиентов концентраций ионов Na⁺, К⁺ и СГ;

• высокой избирательной проницаемостью мембраны для ио­нов К⁺ благодаря тому, что в состоянии покоя постоянно от­крыты калиевые каналы;

• практически полной непроницаемостью мембраны для ионов Na⁺, для которых ионные каналы полностью закрыты (закры­ты ш-ворота);

• работой Ка⁺,К?-АТФазных насосов, активно поддерживаю­щих постоянные ионные градиенты концентрации, «выка­чиванием» ионов Na⁺ наружу мембраны и обратным посту­плением ионов К⁺ в цитоплазму (рис. 1.10). Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и работает с затратой энергии АТФ.

Благодаря отмеченным механизмам состояние статической по­ляризации мембраны характеризуется избытком ионов Na⁺ на по­верхности мембраны и ионов К⁺ внутри клетки (рис. 1.11).

При этом ионы СГ играют уравновешивающую роль, роль сво­еобразного «балансера». Как только изменяется натриево-калиевое равновесие, ионы СГ активно перемещаются через мембрану, ис­правляя нарушенный градиент ионов Na⁺ и К⁺ между наружной

Внеклеточная                                    Внутриклеточная

среда                                               среда

	Рис. 1.10.Схема натрий-калиевого насоса

К; Na;₅ Cl_w

к;₀ Na; ci;

Рис. 1.11. Распределение ионов между внутренней и наружной
стороной мембраны возбудимой клетки

и внутренней поверхностью мембраны, активно поддерживаемый Na.K -АТФазным насосом.

Таким образом, состояние статической поляризации мембра­ны — активный физико-химический процесс, работающий против пассивного распределения ионов между полупроницаемыми мем­бранами по градиенту их концентрации.

В результате неравномерного распределения ионов между на­ружной и внутренней поверхностью мембраны ее наружная поверх­ность заряжена положительно по отношению к внутренней.

Деполяризация развивается в возбудимых тканях под действи­ем раздражителей.

Раздражитель при действии на мембрану нарушает ее прони­цаемость, в результате чего изменяется присущее состоянию покоя ионное равновесие. Под действием раздражителя открываются по­ворота быстрых натриевых каналов (см. рис. 1.8, Б), вследствие чего ионы Na⁺ лавинообразно пассивно (по градиенту концентрации) поступают в клетку. В результате снижается величина положитель­ного заряда на поверхности мембраны и увеличивается в цитоплаз­ме. Указанные процессы лежат в основе формирования местных (локальных) потенциалов. Как только под продолжающимся дей­ствием раздражителя значение местного потенциала достигает кри­тической точки и падает до нуля, происходит перезарядка мембраны и инверсия ее заряда (овершут). Поверхность мембраны становится электроотрицательной по отношению к цитоплазме. Происходит взрывной процесс — возникает потенциал действия — спайк.

Одновременно через открытые калиевые каналы начинают вы­ходить ионы К⁺, возвращая мембранный потенциал к исходному уровню (см. рис. 1.9).

Спайк, или потенциал действия, — типичный триггерный меха­низм. Его происхождение определяется внутренней молекулярной организацией мембраны. В то же время электрический потенциал действия — причина деполяризации соседних пунктов мембраны, т.е. распространения возбуждений по возбудимым тканям.

Напряжение потенциала действия — около 120 мВ.

Факт внезапности (триггерный механизм) исключительно ва­жен для последующего распространения процесса возбуждения по возбудимой ткани. Потенциал действия часто обозначают как рас­пространяющееся возбуждение.

Деполяризация может быть вызванной действием на мембрану внешнего стимула и спонтанной у некоторых видов клеток-пейсме- керов, которые способны самовозбуждаться.

При достижении критического значения тока (120 мВ) сенсор захлопывает h-ворота натриевых каналов, прекращая тем самым дальнейшее поступление ионов Na⁺ в цитоплазму.

Ионные перемещения в мембране в процессе возбуждения впер­вые зарегистрированы на гигантском аксоне кальмара, из которого была выдавлена внутренняя эндоплазма.

Реполяризация — восстановление исходной статической по­ляризации мембраны. Процесс реполяризации мембраны характе­ризуется:

• активацией Ма⁺,К⁺-АТФазного насоса и активным транспор­том ионов Na⁺ из клетки в межклеточную жидкость;

• пассивным транспортом ионов К⁺ в клетку по градиенту кон­центрации.

Реполяризация приводит к открыванию h-ворот и закрыванию m-ворот (см. рис. 1.8, Б).

Электрографическим проявлением реполяризации является нисходящая часть спайка и отрицательный следовой потенциал.

Гйперполяризация — увеличение уровня мембранного потен­циала по сравнению с состоянием статической поляризации.

Гиперполяризация кратковременно наблюдается в процессе реполяризации вслед за восстановлением исходного мембранного потенциала. Гиперполяризация обусловлена повышением проница­емости калиевых каналов и каналов для ионов СГ. В связи с этим поверхность мембраны приобретает избыточный, по сравнению с состоянием покоя, положительный заряд. Электрографическим проявлением гиперполяризации является следовой положительный потенциал.

Метаболические процессы при возбуждении. Под действием ионных перемещений из прекурсорной, связанной с белком формы, в клетке образуется активный ацетилхолин, который также способ­ствует процессу возбуждения. Процесс возбуждения обеспечивается энергией АТФ и креатинфосфата (рис. 1.12).

Потенциал действия регулирует выделение медиаторов в синап­сах, внутриклеточную концентрацию кальция и сокращение мы­шечной ткани, выделение гормонов железами внутренней секреции и др.

Поглощение кислорода при возбуждении увеличивается по сравнению с состоянием покоя в среднем на 24%. Значительно возрастает теплопродукция: активируются ферменты клетки, уча­ствующие в процессах аэробного и анаэробного обмена и окисли­тельного фосфорилирования. В процессе возбуждения в результате

Рис. 1.12. Схема метаболических процессов, сопровождающих про­цесс возбуждения в возбудимых тканях. Ацетилхолин (Ах) под влия­нием холинэстеразы расщепляется на ацетилуксусную кислоту и хо­лин. Под влиянием АТФ, креатинфосфата, витамина В, ионов Са²* и Мд²⁺образуется фермент холинацетилаза, которая восстанавливает прекурсор Ах

 

перекисного окисления липидов мембраны образуются свободные радикалы.