Загальна фізіологія збудливих тканин

Загальна фізіологія збудливих тканин.

1. Фізіологія як наука. Поняття про функцію. Методи фізіологічних досліджень.

Нормальна фізіологія – наука про об’єктивні закономірності протікання функцій організму в їх взаємозв’язку і у взаємодії організму із зовнішнім середовищем.

Функція – це діяльність і властивість клітин, органів, систем організму, які проявляються як фізіологічний процес чи сукупність процесів.

Функції є:

1. Специфічні – притаманні лише даній тканині (клітині), наприклад, специфічна функція м’язевої клітини – скорочення, нервової – проведення збудження.

2. Неспецифічні – притаманні багатьом (чи всім) тканинам та клітинам організму. Наприклад, функція обміну речовин є у всіх клітинах та тканинах.

Об’єктом фізіологічного дослідження є функція організму, його систем, органів і клітин.

Мета фізіології – пізнання функції і закономірності функцій організму для медичної практики.

Завданням фізіології є вивчення функцій з метою виявлення причин та характеру їх порушень при захворюванні.

 

 

 

 

 

Гострий експеримент – дослідження проводять під наркозом, може супроводжуватись перерізуванням нервів, введенням різних речовин (в більшості випадків є летальним для піддослідних тварин).

Хронічний експеримент – дослідженню передує операція (введення фістули в протоку залози) й після одужання тварини проводять дослідження функцій (секреція залоз) в умовах, що максимально відповідають природним.

Біологічне моделювання – у тварини за допомогою хірургічного втручання викликається гіперфункція серця і досліджують, як ця зміна впливає на стан організму.

Математичне моделювання – відтворюють фізіологічні процеси на комп’ютерах та досліджують різні варіанти реакцій, тобто можливі зміни при тих чи інших впливах на організм (ліки, фізичні фактори, екстремальні умови навколишнього середовища).

2. Потенціал спокою, його параметри, механізми походження та фізіологічна роль.

Потенціал спокою (ПС) – різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани збудливої клітини, що знаходиться в стані спокою.

Формула Нернста для розрахунку величини ПС: , де

R – універсальна газова стала, T – абсолютна температура, F – число Фарадея, [K⁺ і] – концентрація іонів К⁺ в клітині, [K⁺ е] – концентрація іонів К⁺ поза клітиною.

Механізм формування ПС пов’язаний з:

1. Наявністю в мембрані клітини механізмів активного транспорту речовин – натрій-калієвий насос. Він створює градієнт концентрації усередині та поза клітиною.

2. Особливостями проникності мембрани клітини в стані спокою – вона проникна для іонів К⁺ та непроникна для іонів Na⁺.

Найбільш важливим для створення та підтримання ПС є натрій-калієвий насос (НКН). Структурною одицею НКН є Na/К-транспортний білок, що являє собою АТФазу. Цей білок на внутрішній поверхні мембрани розщеплює АТФ на АДФ та фосфат й використовує енергію, що виділилась на транспортування трьох іонів Na⁺ з клітини та двох іонів К⁺ в клітину. Тобто в сумі з клітини за один цикл виділяється один позитивний заряд (150-600 за секунду). Таким чином, НКН є електрогенним (створює електричний струм через мембрану), але й може бути електронейтральним, коли на один іон транспортованого Na⁺ припадає один іон К⁺. Отже, за рахунок роботи НКН створюється та підтримується градієнт концентрації іонів К⁺ та іонів Na⁺ усередині та поза клітиною, а саме 145 ммоль/л іонів Na⁺ зовні та 12 ммоль/л всередині, 4 ммоль/л іонів К⁺ зовні та 155 ммоль/л всередині. Отже, концентрація іонів калію усередині клітини в 40-50 разів більша, чим поза нею, а концентрація іонів натрію, навпаки, в 10 разів менша. Варто підкреслити, що сумарна концентрація аніонів усередині та поза клітиною однакова.

Проникність мембрани для іонів визначається станом каналів мембрани. Стан каналів визначається станом їх воріт, які можуть бути відкритими (тоді через канал по градієнту концентрації можуть рухатися іони) та закритими. Канали мембрани є селективними, тобто, пропускають одні іони та не пропускають, або дуже погано пропускають інші іони. В стані спокою мембрана збудливої клітини проникна для іонів К⁺ (відкриті калієві канали) та непроникна для іонів Na⁺ – майже всі натрієві канали закриті. Це є причиною того, що іони К⁺ виходять з клітини через калієві канали по градієнту концентрації, а аніони Na⁺ зайти в клітину не можуть, хоча є градієнт концентрації. Іони К⁺, виходячи з клітини, виносять позитивний заряд на зовнішню поверхню мембрани. Крупномолекулярні органічні аніони залишаються в клітині й зумовлюють негативний заряд на внутрішній поверхні мембрани.

 

	ПОЗАКЛІТИННИЙ метод пошкодження		ВНУТРІШНЬОКЛІТИННИЙ мікроелектродний

 

 

При реєстрації ПС методом пошкодження об’єктом дослідження є який-небудь орган, наприклад, скелетний м’яз. Його пошкоджують шляхом розрізу та прикладають електроди до пошкодженої та непошкодженої поверхонь. Стрілка гальванометра при цьому відхиляється. Це говорить про наявність різниці потенціалів між пошкодженою поверхнею м’яза (аналог внутрішньоклітинного середовища) та її непошкодженою поверхонею (аналог зовнішньої мембрани).

При внутрішньоклітинному методі реєстрації об’єктом дослідження є окрема клітина, яку поміщають в плазму чи фізіологічний розчин. Там знаходиться один реєструючий електрод. Другий електрод (мікроелектрод) обережно вводиться усередину клітини. До проколу мембрани промінь осцилографа іде по нульовій лінії Ù між електродами немає різниці потенціалів. В момент проколу мембрани промінь приладу різко відхиляється від 0 у негативну частину системи координат і протягом годин може перебувати на такому рівні.

Внутрішньоклітинна реєстрація ПС дає змогу оцінити його параметри:

1. Полярність – те, що в момент проколу промінь відхиляється у негативну сторону, говорить про те, що внутрішня поверхня мембрани клітини заряджена негативно відносно зовнішньої.

2. Величина – ступінь відхилення променя від нуля, відповідає величині ПС. Величина ПС збудливих клітин складає 70-90 мВ. Варто наголосити, що величина ПС оцінюється по модулю, без врахування знака!

3. Сталість у часі – якщо, на клітину не діють які-небудь фактори, то ПС не змінюється (промінь йде паралельно нульовій лінії).

Так як величина ПС оцінюється по модулю, то деполяризацією називають будь-яке зменшення величини ПС, а гіперполяризацією – його збільшення.

Фізіологічна роль ПС полягає в тому, що він є базою, на якій розвивається потенціал дії.

3. Потенціал дії, його параметри, механізми походження та фізіологічна роль.

Потенціал дії (ПД) – швидка високоамплітудна зміна потенціалу мембрани збудливої клітини при її збуджені.

 

 

	БІПОЛЯРНИЙ		УНІПОЛЯРНИЙ

 

 

 

При позаклітинній реєстрації об’єктом досліджень є цілий нерв чи м’яз. При біполярному відведені реєструється двохфазний сумарний ПД (обидва електроди є активними, дві фази ПД відповідають руху хвилі збудження спочатку під одним, а потім – під іншим електродом). При уніполярній реєстрації один електрод є активним, а інший – пасивним Ù реєструється однофазний сумарний ПД. Вихідною лінією при позаклітинній реєстрації є нульова лінія, що свідчить про відсутність різниці потенціалів між електродами.

При внутрішньоклітинній (мікроелектродній) реєстрації ПД окремої клітини має такий вигляд:

Спочатку мембранний потенціал різко зменшується до нуля – 1 фаза деполяризації ПД; потім заряд мембрани змінюється на протилежний – зовні “-”, всередині “+” – 2 фаза реверсполяризації. Частина графіка, яка перебуває вище нуля відповідає фазі, що має назву овершут. Далі мембранний потенціал поступово повертається до вихідного рівня – 3 фаза реполяризації ПД. Завершальною фазою ПД є слідова гіперполяризація 4.

В основі зміни мембранного потенціалу при збуджені (тобто в основі формуванні ПД) лежать зміни проникності мембрани, що пов’язані із змінами стану каналів мембрани під впливом подразника.

Особливістю натрієвих каналів є наявність у них двох воріт:

- активаційних – закриті в стані спокою, але можуть відкриватися під впливом збудника;

- інактиваційних – вони швидко закриваються після відкриття активаційних воріт і не можуть відкриватися під впливом подразника.

Подразник зумовлює відкриття активаційних воріт натрієвих каналів Ù лавиноподібний вхід Na⁺ в клітину за градієнтом концентрації Ù зменшення надлишку аніонів усередині клітини (так як іони Na⁺ заряджені позитивно). Аніони, які прямують до мембрани за іонами Na⁺, зайти в клітину не можуть Ù вони зменшують надлишок позитивних зарядів на зовнішній поверхні мембрани клітини. Завдяки цьому різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою поверхнями мембрани зменшується, а далі й зовсім зникає. Так розвивається фаза деполяризації ПД.

Але вхід іонів Na⁺ в клітину не припиняється й тепер у клітині створюється надлишок позитивних іонів Na⁺, а на її поверхні – надлишок аніонів Ù перезарядка мембрани – фаза реверсполяризації.

Натрієва активація (стан каналів при відкритих активаційних воротах) швидко змінюється натрієвою інактивацією – закриттям інактиваційних воріт Ù вхід іонів Na⁺ в клітину при цьому припиняється. Подразник змінює не тільки стан натрієвих каналів, але й стан калієвих каналів Ù вони також активуються, тобто відкривається додаткова кількість калієвих каналів. Але у часі цей процес розвивається значно повільніше, ніж натрієва активація.

Внаслідок різної швидкості розвитку у часі натрієвої та калієвої активації під впливом подразника, розвиток натрієвої інактивації супроводжується розвитком калієвої активації. Тому, коли іони Na⁺ перестають входити в клітину, вихід іонів К⁺ з неї збільшується. Саме це призводить до відновлення вихідного рівня мембранного потенціалу – фаза реполяризації.

Таким чином механізм формування ПД заключається в наступному:

 

 

 

 

 

Параметрами ПД є:

1.Амплітуда – 100-120 мВ.

2.Протяжність – 1-3 мс в нервових волокнах, в м’язових волокнах він довший (в типових кардіоміоцитах – 300 мс).

Фізіологічна роль ПД – полягає в тому, що він забезпечує збудження клітини та передачу цього збудження на інші клітини, а також підтримку чи активацію у збудливих клітинах специфічних функцій.

 

4. Збудливість. Критичний рівень деполяризації поріг деполяризації клітинної мембрани.

Збудливість – здатність клітин (чи тканин) до збудження. Збудливість різних клітин та тканин різна – одні збуджуються легше, інші важче.

Збудження – складний фізіологічний процес, який виникає в збудливих структурах при дії подразника.

Обов’язковими компонентами процесу збудження є:

1. Розвиток ПД на мембрані.

2. Виникнення специфічної функції (скорочення у м’язах, секреція в секреторних клітинах, передача інформації в нервових волокнах).

Показниками збудливості є:

1. Поріг сили подразника – мінімальна сила подразника, при якій він викликає збудження. Чим вища збудливість, тим менший поріг сили подразника. При необхідності оцінити рівень збудливості тканини в клінічній практиці визначають поріг сили подразника для цієї тканини.

2. Пороговий потенціал (ΔV) – різниця між ПС та критичним рівнем деполяризації мембрани (Е_кр).

Критичний рівень деполяризації – той рівень мембранного потенціалу, при зменшені до якого ПС на мембрані виникає ПД.

Отже, ΔV – різниця між величиною ПС та Е_кр – показує, на скільки мВ необхідно зменшити ПС, щоб на мембрані виник ПД. Тобто, чим менший поріг деполяризації, тим вища збудливість клітини та навпаки.

Всі фактори, що змінюють величину порогу деполяризації, змінюють збудливість клітини:

- зміна величини ПС: при деполяризації мембрани ΔV клітини зменшується; при гіперполяризації навпаки;

- зміна положення Е_кр – вона визначається станом натрієвих каналів, здатністю клітини збільшувати проникність для іонів Na⁺ під впливом подразника.

Подразники, допорогові за своїми параметрами, викликають на мембрані деполяризацію, яка не доходить до Е_кр – така деполяризація називається місцевим збудженням. Подразники, параметри яких не нижчі порогових (надпорогові), викликають деполяризацію мембрани до Е_кр Ù ПД.

5. Зміни збудливості клітини при розвитку одиничного потенціалу дії.

При розвитку на мембрані місцевого збудження та ПД збудливість клітини змінюється по-різному:

- при розвитку місцевого збудження збудливість збільшується, так як ΔV зменшується;

- при розвитку ПД мають місце закономірні зміни збудливості:

- поки деполяризація повільно прямує до Е_кр, збудливість збільшується вище вихідного рівня (вище 100%) – фаза супернормальної збудливості;

- як тільки деполяризація доходить до Е_кр й починається розвиток піку ПД, збудливість клітини падає до нуля та починається фаза абсолютної рефрактерності – повної незбудливості клітини. Механізм її розвитку пов’язаний з тим, що коли деполяризація мембрани доходить до Е_кр, в ній відкриваються всі натрієві канали Ù ніякий додатковий подразник не може змінити стан натрієвих каналів мембрани тому клітина не може реагувати на дію подразника – її збудливість дорівнює нулю. Далі стан натрієвої активації змінюється станом натрієвої інактивації – в натрієвих каналах закриваються інактиваційні ворота, які не можуть відкриватися під впливом подразників Ù продовжується абсолютна рефрактерність. Натрієва інактивація зберігається до тих пір, поки під час реполяризації мембранний потенціал не відновиться до рівня 40 мВ – до тих пір буде зберігатися повна незбудливість клітини. Але потім інактиваційні ворота відкриваються і клітина поступово відновлює здатність до збудження – іде фаза відносної рефрактерності. Під час цієї фази збудливість клітини вища нуля, але нижча, чим у вихідному положені. Коли завершується фаза реполяризації ПД, збудливість клітини відновлюється до вихідного положення, тобто відновлюється стан натрієвих каналів, що відповідає стану спокою – в натрієвих каналах закриті активаційні ворота та відкриті інактиваційні.

 

Порівняльна характеристика місцевого збудження та ПД.

Властивість	Місцеве збудження	ПД
Здатність до поширення	Поширюється на малі відстані електротонічно за допомогою локальних токів	Поширюється по всій довжині мембрани
Здатність до сумації	Здатне до сумації	Не має здатності до сумації
Залежність від сили подразника	Підкоряється закону силових відношень – чим більша сила подразника, тим більша амплітуда місцевого збудження	Підкоряється закону “все або нічого” – при дії допорогових подразників ПД не виникає зовсім; при дії порогових подразників виникає ПД максимально можливої амплітуди
Зміна збудливості	При розвитку місцевого збудження збудливість клітини збільшується внаслідок зменшення ΔV	При розвитку ПД спостерігаються фазові зміни збудливості, під час якої вона повністю сникає – розвивається абсолютна рефрактерність

6. Значення параметрів електричних стимулів для виникнення збудження.

Будь-який подразник має наступні параметри:

– сила подразника;

– час дії подразника;

– швидкість збільшення сили подразника.

Електричний струм, крім того, має такий параметр як напрям. Під анодом виникає гіперполяризація, а під катодом – деполяризація мембрани внаслідок складання зовнішнього та власного електричного поля. В основі гіперполяризації та деполяризації лежать чисто фізичні процеси складання полів, які носять назву електротонічних. Коли під катодом відбувається деполяризація мембрани й досягає 50-75% від величини порогового потенціалу, в мембрані відкриваються потенціалчутливі натрієві канали Ù через них в клітину входять іони Na⁺ Ù збільшення ступеню деполяризації під катодом. Деполяризація під катодом, що пов’язана з відкриттям натрієвих каналів та з входом іонів Na⁺ в клітину, має назву локальної відповіді (ЛВ).

Таким чином, при дії на клітину електричного струму як подразника, збудження (ПД) виникає під катодом, при вхідному напрямку струму, так як саме під катодом виникає деполяризація мембрани. І, якщо ця деполяризація досягає Е_кр, на мембрані виникає збудження, ПД.

Значення сили електричного струму як подразника.

Тобто, збудження під катодом виникає, якщо сила струму не нижча порогової. Значення часу дії електричного стимулу. Якщо на клітину діяти катодним струмом великої сили, то при дуже короткочасній дії (допороговий час) ПД не виникає,…