Биоэлектрические потенциалы
ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ
Биологические системы могут находиться в покое и активном состоянии. Состояние покоя характеризуется относительным постоянством текущих значений физиологических параметров и отсутствием проявлений специфических функций.
При изменении внешних или внутренних условий биологическая система переходит в активное состояние. Это возможно благодаря такому явлению как раздражимость.
Некоторые ткани нашего организма способны не только к раздражению, но и к возбуждению. Возбуждение –активный физиологический процесс, которым тольконекоторые живые клетки (нервные, мышечные, железистые) отвечают на внешнее воздействие. Возбуждение проявляется специфическими, характерными только для данного типа клеток и тканей, и неспецифическими реакциями. Специфические реакции – сокращение, генерация нервного импульса, секреция; неспецифические – химические реакции, теплообразование, электрические явления.
Возбудимость – способность отвечать на раздражение специфической реакцией или возбуждением.
Возбудимые ткани –ткани, способные в ответ на действие раздражителей переходить из состояния физиологического покоя в состояние возбуждения. Это нервная, мышечная и железистая ткани.
Раздражители качественно делятся на физические и химические.
По биологическому значению на:
- адекватные – в данном случае биологическая система приспособилась к воздействию данных раздражителей в ходе эволюции;
- неадекватные – раздражители, неспособные в естественных условиях вызвать возбуждение данной биосистемы; способны вызвать возбуждение рецепторов только в критических ситуациях («искры из глаз» при сильном механическом воздействии на глаз).
По силе воздействия на:
- пороговые;
- подпороговые;
- сверхпороговые;
- максимальные;
- субмаксимальные;
- супермаксимальные.
Порог возбудимости – это минимальная сила раздражителя, необходимая для возникновения минимального по величине ответа (возбуждения). Порог возбуждения является мерой оценки возбудимости тканей. Чем выше порог возбуждения, тем менее возбудима ткань, т.е. для возбуждения такой ткани понадобиться воздействие более сильного стимула, чем для менее возбудимой ткани, с меньшим порогом возбуждения.
Раздражители, которые имеют силу, соответствующую порогу возбуждения называют пороговыми, ниже порога возбуждения – подпороговыми.
Если сила раздражителя превосходит порог возбуждения, то величина ответной реакции возрастает до определённого предела. Дальнейшее увеличение силы раздражителя уже не приведёт к усилению ответной реакции.
Максимальная сила раздражителя – это сила раздражителя, вызывающая максимальную ответную реакцию ткани. Раздражители, сила которых меньше или больше максимальной, получили название субмаксимальных и супермаксимальных.
Реакцией на раздражение может быть не только возбуждение, но и торможение. Результатом торможенияявляется подавление или угнетение деятельности клеток, тканей или органов, т. е. процесс, приводящий к уменьшению или предупреждению возбуждения. Возбуждение и торможение представляют собой взаимопротивоположные и взаимосвязанные процессы.
Биоэлектрические потенциалы
Каким же образом организм отвечает на раздражение? Для этого необходимо понять как ответная реакция формируется прежде всего на клеточном уровне.
Для поддержания жизни в клетке постоянно происходит обмен веществами между наружной средой (тканевой жидкостью) и внутренней средой клетки (цитоплазмой).
Перемещение веществ через мембрану может происходить несколькими путями.
Простая диффузия: гидрофильные вещества проникают сквозь мембрану через временные дефекты углеводной области мембраны кинки, а также через поры (или мембранные каналы), образованные транспортными белками. Гидрофобные вещества диффундируют благодаря растворению в липидном слое. Диффузия идёт по градиенту концентрации.
Мембранные каналы обладают относительной избирательностью по отношению к типу молекул, которые могут через них проходить. Существуют, например, натриевые, калиевые, кальциевые каналы, каждый из которых практически не проницаем для любого иона, кроме специфического.
Селективность обеспечивается:
- диаметром канала;
- наличием заряженных участков;
- конформационным соответствием.
Ионные каналы могут существовать в трёх основных состояниях: открытом, закрытом и инактивированном. Переход из одного состояния в другое управляется либо изменением электрической разности потенциалов на мембране, либо взаимодействием физиологически активных веществ с рецепторами. Соответственно ионные каналы подразделяются на потенциал-зависимые и рецептор-упраляемые.
Особо нас будут интересовать натриевые и калиевые каналы.Na-каналы: это гликопротеиды, пронизывающие мембрану насквозь. Со стороны наружной мембраны каналы имеют более узкое входное отверстие, со стороны внутренней более широкое. Белковая молекула канала имеет на своей поверхности отрицательно заряженные участки, которые могут менять свое положение (т.к. белковая молекула способна к спонтанной конформации). Na, таким образом, электростатически взаимодействует с отрицательно заряженными участками и перемещается от одного участка к другому благодаря изменению (снижению) энергетического порога взаимодействия. При одном открывании натриевого канала в клетку поступает до 6000 ионов Na.
Na-канал может находиться в нескольких состояниях, что обеспечивается активационными и инактивационными воротами канала:
- закрытом – канал не пропускает ионы натрия, но готов к транспорту при небольшом изменении трансмембранного потенциала, ворота активации закрыты, ворота инактивации открыты);
- открытое – ионы быстро проходят через канал, в этот момент канал характеризуется максимальной пропускной способностью (все ворота открыты);
- инактивированное – поток ионов прекращается (ворота активации открыты, ворота инактивации закрыты).
К-канал: тоже белковой природы. Пропускает ионы К+ из клетки. Изменение проводимости идёт медленнее, чем у натриевых каналов. Может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом.
Облегчённая диффузия: осуществляется с помощью особых молекул-переносчиков. Для облегчённой диффузии характерны – высокая скорость переноса веществ, зависимость от строения белков-переносчиков, насыщаемость, конкуренция и чувствительность к специфическим ингибиторам, что в свою очередь связано с ограниченностью количества белков-переносчиков в мембране и их специфичностью. Различают несколько видов облегчённой диффузии:
1. Унипорт – молекулы или ионы переносятся через мембрану независимо от наличия или переноса других соединений (например, транспорт глюкозы и АК);
2. Симпорт – перенос осуществляется одновременно и однонаправлено с другими соединениями (натрий-зависимый транспорт сахаров и АК);
3. Антипорт – транспорт вещества обусловлен одновременным и противоположно направленным транспортом другого соединения или иона (Na|Ca, Na|H обмены).
Первично-активный транспорт: перенос осуществляется с помощью специфических белков-переносчиков (насосов), которые переносят вещества против электрического и концентрационного градиентов, потребляя при этом метаболическую энергию. Наиболее значимыми являются Na/K–насос и Ca–насос.
Na/K–насос представляет собой аденозиттрифосфатгидролазу (АТФазу). Фермент способен к фосфорилированию и в таком состоянии фермент может находится в двух конформациях – Е1 и Е2. В присутствии АТФ и ионов Nа в цитоплазме запускается фосфорилирование фермента и происходит связывание трёх ионов Na, в результате конформация меняется – Е1 переходит в Е2 – и участок с ионами оказывается на наружной стороне мембраны, ионы высвобождаются, так как снижается сродство участка связывания к Na. В новой конформации область связывания обладает высоким сродством к К. Связывание двух ионов К ведет к дефосфорилированию и обратному изменению конформации белка. При этом снижается сродство к К, что приводит к высвобождению ионов в цитоплазму, повышается к Na и цикл работы повторяется. Суммарно за один цикл из клетки удаляется один положительный заряд. Следовательно, Na/K–насос является электрогенным – создаёт электрический ток через мембрану.
Вторично-активный транспорт: перенос через мембрану вещества против градиента концентрации за счет энергии концентрационного градиента другого вещества. Может происходить путём симпорта и путём антипорта.
Потенциал покоя
Как уже отмечалось, через мембрану постоянно перемещаются разные вещества, в том числе и несущие заряд – ионы. Таким образом, на мембране создается определённое электрическое поле, т.е. электрический или трансмембранный потенциал. Электрические потенциалы клеток обусловлены концентрационными градиентами 4 основных ионов: К+, Na+, Ca2+, Cl- по разным сторонам цитоплазматической мембраны.
Во всех живых клетках существует трансмембранный потенциал – потенциал покоя. Обусловлен разностью зарядов внутренней и внешней мембран. В покое внешняя сторона мембраны, обращенная в межклеточное вещество, заряжена более положительно, чем внутренняя сторона мембраны. Это связано с неравенством концентраций ионов Na и К внутри и вне клетки и разной проницаемостью для них мембран.
В межклеточном веществе больше ионов Na и Cl, а в цитоплазме больше – К и органических анионов.
Как же формируется такая разность потенциалов?
В состоянии покоя цитоплазматическая мембрана высокопроницаема для ионов К+ (большинство каналов открыты) и фактически не проницаема для Na+ и органических анионов (большинство каналов закрыты). По концентрационному градиенту К+ устремляется из цитоплазмы (где его много) во внеклеточную среду. Однако такому быстрому движению препятствует возрастающий электрохимический градиент отрицательно заряженных ионов на внутренней стороне мембраны. Когда силы концентрационного и электрохимического градиентов уравновешиваются, возникает потенциал покоя определённой величины. Для мышечной клетки он, например, составляет около -80 мВ.
Но благодаря диффузии, не смотря на притяжение анионов, К+ должен выходить из клетки до выравнивания концентраций во вне- и внутриклеточной среде. Этого не происходит, т.к. работает К+-Na+- насос, стабилизирующий концентрацию. Na/К – насос обеспечивает идеальную компенсацию пассивных диффузионных потоков. Его активность регулируется внутриклеточной концентрацией ионов Na. Чтобы поддерживать равновесие между насосными и пассивными мембранными токами, необходимо в 1000 раз больше насосных молекул, чем канальных белков.
Таким образом, при движении ионов из клетки и обратно существует некоторое равновесие между диффузией и другими процессами транспорта через мембрану, которое обеспечивает существование потенциала покоя.
Потенциал действия
При возбуждении клетки возникает так называемый потенциал действия. В этом случае мембранный потенциал смещается в положительную сторону.
Амплитуда и характер протекания потенциала действия практически не зависят от силы раздражителя. Главное, чтобы сила была выше силы порога возбуждения. Такая особенность возникновения и протекания потенциала действия называется законом «всё или ничего». Согласно этому закону подпороговые раздражители не вызывают возбуждения («ничего»), при пороговых же стимулах возбуждение сразу приобретает максимальную величину («всё») и уже не возрастает при дальнейшем усилении раздражителя.
Потенциал действия при формировании проходит через ряд стадий или фаз:
Фаза деполяризации.
Фаза реполяризации.
Иногда возникают следовые потенциалы – следовая гиперполяризация и следовая деполяризация.
В основе возникновения ПД лежит увеличение проводимости цитоплазматической мембраны для ионов Na.
1. Фаза деполяризации – смена заряда.
При действии на мембрану раздражителя, т. е. возникновении возбуждения, начинают открываться Na-каналы (открываются ворота активации). Поток ионов Nа приводит к снижению мембранного потенциала. Входящие ионы активизируют всё большее количество закрытых каналов, резко увеличивается число открытых каналов. Всё это приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны становится сначала равной по заряду внешней стороне, а потом заряжается положительно. Когда внутренняя поверхность мембраны перестаёт быть более отрицательной по отношению к наружной мембране, Na-каналы постепенно инактивируются (закрываются инактивационные ворота), а К-каналы начинают открываться. Уменьшается поступление натрия в клетку и увеличивается выход К из клетки.
2. Фаза реполяризации – восстановление заряда.
Уменьшение натриевой проницаемости ускоряет реполяризацию, а последняя увеличивает число закрытых каналов. К окончанию фазы реполяризации у натриевых каналов закрываются активационные ворота и медленно открываются инактивационные. Происходит смена заряда внутренней и внешней мембран относительно друг друга. Трансмембранный потенциал восстанавливается.
3. Следовая гиперполяризация – снижение потенциала по сравнению с состоянием покоя.
Обусловлена повышенной К проводимостью мембраны по сравнению с потенциалом покоя.
В конце полностью закрываются К-каналы, Na-каналы становятся активными, но закрытыми. Восстанавливается ионный транспорт, характерный для состояния покоя. В восстановлении потенциала активную роль играет Na,К-насос.
Клетки могут находиться в состоянии невосприимчивости к раздражению – это рефрактерные периоды.
Абсолютный рефрактерный период – это время, в течение которого возбудимая ткань не может реагировать сдвигом мембранного потенциала на действие раздражителей, какова бы ни была сила последних. Рефрактерность обусловлена инактивацией натриевых каналов. Активация каналов – это постепенный процесс, продолжающийся несколько мсек, в течение которых каналы еще не способны активироваться или же активируются только частично. У мышечных и железистых клеток этот период более длительный, чем у нервных.
Относительный рефрактерный период – клетка может ответить генерацией потенциала действия на раздражитель с силой выше пороговой. Амплитуда потенциала при этом может быть снижена по сравнению с нормой.
Относительная рефрактерная фаза сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости, совпадающей по времени с периодом следовой деполяризации. Период повышенной возбудимости сменяется субнормальной фазой (пониженной возбудимости).
В естественных условиях по нервным и мышечным волокнам проходят ритмические залпы потенциалов действия. Частота разрядов импульсов в возбудимых тканях может варьировать в широких пределах в зависимости от силы приложенного раздражения, свойств и состояния ткани и от скорости протекания отдельных актов возбуждения в ритмическом ряду. Для характеристики этой скорости Н.Е. Введенским и было сформулировано понятие лабильность. Под лабильностью, или функциональной подвижностью, он понимал большую или меньшую скорость протекания тех элементарных реакций, которыми сопровождается возбуждение. Мерой лабильности является наибольшее число потенциалов действия, которое возбудимая ткань способна воспроизвести в единицу времени в соответствии с частотой подаваемого раздражения.
Лабильность – величина непостоянная. Она может меняться в зависимости от состояния нерва или мышцы, в зависимости от силы и длительности падающих на них раздражений, от степени утомления. Н.Е. Введенский обнаружил, что лабильность может снижаться при действии на нерв определённых химических веществ. Это явление снижение лабильности в участке нерва под воздействием определённых раздражителей он назвал парабиозом. Парабиоз – это обратимое состояние, которое, однако, при углублении действия вызывающего его агента может перейти в необратимое. Введенский рассматривал парабиоз как особое состояние стойкого не колеблющегося возбуждения, как бы застывшего в одном участке нервного волокна. Действительно, парабиотический участок заряжен отрицательно, что говорит о длительной деполяризации мембраны. По мнению Введенского, парабиоз является результатом перевозбуждения нервной клетки слишком сильным или слишком частым раздражением.
Развитие парабиоза проходит в несколько стадий: уравнительную, парадоксальную и тормозную. Вначале за счет снижения аккомодации отдельные импульсы тока малой частоты при условии их достаточной силы дают уже не 1 импульс, а 2, 3 или даже 4. Одновременно порог возбудимости растёт, а максимальный ритм возбуждения прогрессивно снижается. В результате на импульсы как малой, так и большой частоты нерв начинает отвечать одной и той же частотой разрядов, наиболее близкой к оптимальному для этого нерва ритму. Это и есть уравнительная фаза парабиоза. На следующем этапе развития процесса в области пороговых интенсивностей раздражения еще сохраняется воспроизведение ритма, близкого к оптимальному, а на частые импульсы ткань или вообще не отвечает, или отвечает очень редкими волнами возбуждения. Это – парадоксальная фаза.
Затем способность волокна к ритмической волновой деятельности падает, падает и амплитуда ПД, увеличивается его длительность. Любое внешнее воздействие подкрепляет состояние торможения нервного волокна и одновременно затормаживается само. Это – последняя, тормозная фаза парабиоза. В настоящее время описанный феномен объясняется с позиций мембранной теорий нарушением механизма повышения натриевой проницаемости и появлением затяжной натриевой инактивации. В результате этого Nа-каналы остаются закрытыми, он накапливается в клетке и наружная поверхность мембраны длительное время сохраняет отрицательный заряд. Это препятствует новому раздражению за счет удлинения рефрактерного периода. При набегании на участок парабиоза часто следующих друг за другом ПД инактивация натриевой проницаемости, вызванная альтерирующим агентом, суммируется с инактивацией, сопровождающей нервный импульс. В результате возбудимость снижается настолько, что проведение следующего импульса полностью блокируется.