Физиология и биофизика возбудимых клеток

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением активационных (м) и инактивационных (н) ворот (рис):

1. Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивацинные открыты.
2. Активированном, и те и другие ворота открыты.
3. 3. Инактивированном  активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты

 Суммарная проводимость  для того или иного иона  определяется числом одновременно  открытых соответствующих каналов.  В состоянии покоя открыты  только калиевые каналы, обеспечивающие поддержание определенного

 мембранного потенциала  и закрыты натриевые. Поэтому  мембрана избирательно проницаема  для калия и очень мало для  ионов натрия и кальция, за  счет имеющихся неспецифических  каналов. Соотношение проницаемости мембраны

для калия и натрия в состоянии покоя составляет 1:0.04. Ионы калия поступают в цитоплазму и накапливаются в ней. Когда  их количество достигает определенного  предела, они по градиенту концентрации начинают выходить через открытые калиевые каналы из клетки. Однако уйти от наружной поверхности клеточной мембраны они не могут. Там их удерживает электрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Это сульфат, фосфат и нитрат анионы, анионные группы аминокислот, для которых мембрана не проницаема. Поэтому на наружной поверхности мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная разность потенциалов. Рис. Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший потенциал с положительным знаком снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. Т.е. накопившиеся на наружной стороне мембраны ионы калия не будут отталкивать внутрь такие же ноны. Возникает определенный потенциал мембраны, уровень которого определяется проводимостью мембраны для ионов калия и натрия в состоянии покоя. В среднем, величина потенциала покоя близка к калиевому равновесному потенциалу Нернста. Например, МП нервных клеток составляет 55-70 мВ, поперечно-полосатых - 90-100 мВ. гладких мышц - 40-60 мВ, железистых клеток - 20-45 мВ. Меньшая реальная величина МП клеток, объясняется тем, что его величину уменьшают ионы натрия, для которых мембрана незначительно проницаема, и они могут входить в цитоплазму. С другой стороны, отрицательные ионы хлора, поступающие в клетку, несколько увеличивают МП.

Так как мембрана в  состоянии покоя незначительно  проницаема для ионов натрия, необходим  механизм выведения этих ионов из клетки. Это связано с тем, что постепенное накопление натрия в клетке привело бы к нейтрализации мембранного потенциала и исчезновению возбудимости. Этот механизм называется натрио-калиевым насосом. Он обеспечивает поддержание разности концентраций калия и натрия по обе стороны мембраны. Натрио-калиевый насос —это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет АТФ и использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в неё. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой

 АТФ-азы выводит  3 иона натрия и вносит 2 иона  калия т.к в клетку поступает меньше  положительно заряженных ионов, чем выводится из неё, натрий-калиевая АТФ-аза. на5-10 мВ увеличивает мембранный потенциал.     В мембране имеются следующие механизмы трансмембранного транспорта.

  1.Активный транспорт  осуществляется с помощью энергии  АТФ. К этой группе транспортных  систем относятся натрий-калнезый  насос, кальциевый насос, хлорный  насос.

2.Пассивный транспорт.  Передвижение ионов осуществляется по градиенту концентрации без затрат энергии. Например, вход калия в клетку и выход из неё по калиевым каналам.                            

3.Сопряженный транспорт.  Противоградиентный перенос ионов  без затрат энергии. Например таким образом происходит натрий натриевый, натрий-кальциевый, калий -калиевый обмен ионов. Он происходит за счет разности концентрации других ионов.

Мембранный потенциал  регистрируется с помощью микроэлектродного  метода. Для этого через мембрану, в цитоплазму клетки вводится тонкий, диаметром менее 1 мкм стеклянный микроэлектрод. Он заполняется солевым раствором. Второй электрод помешается в жидкость, омывающую клетки. От электродов сигнал поступает на усилитель биопотенциалов, а от него на осциллограф и самописец (рис).

Дальнейшие исследования Ходжкина и Хаксли показали, что при возбуждении аксона кальмара возникает быстрое колебание мембранного потенциала, которое на экране осциллографа имело форму пика. Они назвали это колебание потенциалом действия (ПД). Так как электрический ток для возбудимых мембран является адекватным раздражителем, ПД можно вызвать, поместив на наружную поверхность мембраны отрицательный электрод - катод, а внутреннюю положительный анод. Это приведет к снижению величины заряда мембраны - ее деполяризации. При действии слабого допороговсго тока происходит пассивная деполяризация, т.е. возникает катэлектротон (.рис). Если силу тока увеличить до определенного предела, то в конце периода его воздействия на плато катэлектротона появится небольшой самопроизвольный подъём - местный или локальный ответ. Он является следствием открывают небольшой части натриевых каналов, находящихся под катодом. При токе пороговой силы МП снижается до критического уровня деполяризации (КУД), при котором начинается генерация' потенциала действия. Он находится для нейронов примерно на уровне - 50 мВ. На кривой потенциала действия выделяют следующие фазы:

1. Локальный ответ (местная деполяризация), предшествующий развитию ПД.
2. Фаза деполяризации. Во время этой фазы МП быстро уменьшается и достигает нулевого уровня. Уровень деполяризации растет выше 0. Поэтому мембрана приобретает противоположный заряд - внутри она становится положительной, а снаружи отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала. Продолжительность этой фазы у нервных и мышечных клеток 1-2мсек.
3. Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП (примерно -20 мВ). Мембранный потенциал начинает быстро возвращаться к потенциалу покоя Длительность фазы 3-5 мсек.
4. Фаза следовой деполяризация или отрицательного следового потенциала. Период, когда возвращений МП к потенциалу покоя временно задерживается, он длится 15-30 мсек.
5. Фаза следовой гиперполяризацин или положительного следового потенциала. В эту фазу. МП на некоторое время

становится выше исходного  уровне ПП. Ее длительность 250-300 мсек.

Амплитуда потенциала действия скелетных мышц в среднем 120-130 мВ. нейронов 80-90 мВ. гладкомышечных

клеток 40-50 мВ. При возбуждении  нейронов ПД возникает в начальном сегменте аксона - аксоном холмике.

Возникновение ПД обусловлено  изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период

локального ответа открываются  медленные натриевые каналы, а  быстрые остаются закрытыми, возникает  временная

самопроизвольная деполяризация. Когда МП достигает критического уровня, закрытые активационные ворота

'натриевых каналов  открываются, и ионы натрия  лавинообразно устремляются в  клетку, вызывая нарастающую

деполяризацию. В эту  фазу открываются и быстрые и  медленные натриевые каналы. Т.е. натриевая проницаемость

мембраны резко возрастает. Причем от чувствительности активационных  зависит величина критического уровня

деполяризации, чем она  выше, тем ниже КУД и наоборот.

Когда величина деполяризация  приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия (-20 мВ). сила

концентрационного градиента  натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации

быстрых натриевых каналов  и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия, т.е. калиевый выходящий ток. В некоторых клетках это происходит из-за активации

специальных каналов  калиевого выходящего тока. Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смешения МП к уровню потенциала покоя. Т.е. начинается фаза реполяризации. Возрастание МП приводит к закрыванию и активационных ворот натриевых каналов, что еще больше снижает натриевую проницаемость мембраны и ускоряет

реполяризацию. Возникновение  фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных натриевых каналов остается открытой.

Следовая гиперполяризация связана с повышенной, после ПД, калиевой проводимостью мембраны и  тем, что более активно работает натрий-калиезый насос, выносящий вошедшие в клетку во время ПД ионы натрия.

Изменяя проводимость быстрых  натриевых и калиевых каналов  можно влиять на генерацию ПД, а  следовательно на возбуждение клеток. При полной блокаде натриевых  каналов, например ядом рыбы тетродонта - тетродотоксином, клетка становится невозбудимой. Это используется в клинике. Такие местные анестетики, как новокаин, дикаин, лидокаин тормозят переход натриевых каналов нервных волокон в открытое состояние. Поэтому проведение нервных импульсов по чувствительным нервам прекращается, наступает обезболивание анестезия органа. При блокаде калиевых каналов затрудняется выход ионов калия из цитоплазмы на наружную поверхность мембраны, т.е высвобождаются ионы кальция из цитоплазмы т.е восстановление МП. поэтому удлиняется фаза реполяризации. Этот эффект блокаторов калиевых каналов также - используется в клинической практике. Например, один из них хинидин.' удлиняя фазу . реполяризации

 кардиомиоцитов, урежает  сердечные сокращения и нормализует  сердечный ритм. 'Также следует  отметить, что чем выше скорость  распространения ПД по мембране клетки, ткани, тем выше ее проводимость.

       Соотношение фаз потенциала действия и возбудимости        

Уровень возбудимости клетки зависит от фазы ПД. В фазу локального ответа возбудимость возрастает. Это  фазу возбудимости называют латентным дополнением. В фазу деполяризации ПД, когда открываются все натриевые каналы и ноны натрия лавинообразно устремляются в клетку, никакой даже сверхсильный раздражитель не может стимулировать этот процесс. Поэтому фазе деполяризации соответствует фаза полной не возбудимости или абсолютной рефрактерности, т.е. фазе реполяризации все большая часть натриевых каналов закрывается. Однако они могут вновь открываться при действии сверхпорогового раздражителя. Т.е. возбудимость начинает вновь повышаться. Этому соответствует фаза относительной не возбудимости или относительной рефрактерности. Во время следовой деполяризации МП находится у критического уровня, поэтому даже допороговые стимулы могут вызвать возбуждение клетки. Следовательно, в этот момент ее возбудимость повышена. Эта фаза называется фазой экзальтации или супернормальной возбудимости.

В момент следовой гиперполяризации МП выше исходного уровня, т.е. дальше КУД и ее возбудимость снижена. Она  наводится в фазе субнормальной  возбудимости. Рис. Следует отметить, что явление .аккомодации также связано с изменением проводимости ионных каналов. Если деполяризуюший ток нарастает медленно, то это приводит к частичной инактивации натриевых, и активации калиевых каналов. Поэтому развития ПД не происходит.

фйзиология мышц.

В организме имеются 3 типа мышц: скелетные или поперечно-полосатые, гладкие и сердечная. Скелетные  мышцы обеспечивают перемещение  тела в пространстве, поддержание  позы тела за счет тонуса мышц конечностей  и тела. Гладкие мышцы необходимы для перистальтики органов желудочно-кишечного тракта,  мочевыводящей системы. регуляции тонуса сосудов, бронхов и т.д.. Сердечная мышца служит для сокращения сердца я перекачивания крови. Все мышцы обладают возбудимостью, проводимостью и сократимостью, а сердечная и многие гладкие мышцы автоматией способностью к самопроизвольным сокращениям.

Ультраструктура скелетного мышечного волокна.  

 Двигательные единицы.  Основным морфо-функциональным элементом  нервно-мышечного аппарата скелетных  мышц является двигательная единица. Она включает мотонейрон спинного мозга с иннервируемыми его аксоном мышечными волокнами. Внутри мышцы этот аксон образует несколько концевых веточек. Каждая такая веточка образует контакт - нервно-мышечный синапс на отдельном мышечном волокне. Нервные импульсы, идущие от мотонейрона вызывают сокращения определенной группы мышечных волокон.

Скелетные мышцы состоят  из мышечных пучков, образованных большим  количеством мышечных волокон. Каждое подокно - это клетка цилиндрической формы диаметром 10-100 мкм и длиной от 5 до 400 мкм. Оно имеет клеточную мембрану - сарколемму. В саркоплазме находится            несколько ядер, митохондрий образования саркоплазматического ретикулума   (СР)   и сократительные элементы - миофибрилы. Саркоплазматический ретикулум имеет своеобразное строение. Он состоит из системы поперечных, продольных трубочек и цистерн. Поперечные трубочки это впячивания саркоплазмы внутрь клетки. К ним примыкают продольные трубочки с цистернами. Благодаря этому, потенциал  действия   может   распространяться   от сарколеммы на систему саркоплазматического ретикулума. В мышечном волокне содержится более 1000 миофибрилл, расположенных вдоль него. Каждая миофибрилла состоит из 2500 протофибрилл или миофиламентов. Это нити сократительных белков актина и миозина. Миозиновые протофибрнллы толстые, актиновые тонкие. На миозиновых нитях расположены отходящие под углом поперечные отростки с головками. У скелетного мышечного волокна при световой микроскопии видна поперечная исчерченность, т.е. чередование светлых и темных полос. Темные полосы называют А-дисками или анизотропией светлые [-дисками (изотропными). В А-дисках сосредоточены нити миозина, обладающие анизотропией и поэтому имеющие темный цвет. 1-диски образованы нитями актина. В центре 1-дисков видна тонкая Z-пластинка.  К ней прикрепляются актиновые протофибриллы. Участок миофибрилы между двумя 2-пластинками называется саркомером. Это структурный элемент миофибрилл. В покое толстые миозиновые нити лишь на небольшое расстояние входят в промежутки между актиновыми. Поэтому в средней части А-диска имеется более светлая Н-зона, где нет актиновых нитей. При электронной микроскопии в ее центре видна очень тонкая М-лнния. Она образована цепями опорных белков, к которым крепятся миозиновые протофибриллы (рис).