🗊Презентация Характеристика возбудимых тканей

ТЕМА № 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ. ЭЛЕКТРОГЕНЕЗ

ПЛАН: Физиологические основы функций. Возбудимые ткани и их общие свойства. Раздражимость. Возбудимость как высокодифференцированная специализированная форма раздражимости. Состояние функционального покоя. Деятельные состояния тканей (возбуждение и торможение). Раздражители, их классификация. Современное представление о строении и функции биологических мембран. Ионные каналы мембран, их классификация. Мембранный потенциал и его происхождение. Активный и пассивный транспорт веществ через мембраны. Роль концентрационных градиентов и избирательной проницаемости в возникновении мембранного потенциала. Современные представления о процессе возбуждения. Потенциал действия, его фазы и происхождение. Местный процесс возбуждения и его переход в распространяющийся. Критический уровень деполяризации. Особенности местного и распространяющегося возбуждения. Соотношение фаз возбудимости с фазами потенциала действия. Рефрактерность и ее причины.

Общие свойства возбудимых тканей: 1. Раздражимость – свойство всех тканей отвечать на действие слабых раздражителей кратковременной, медленно развивающейся неспецифической реакцией (изменением обмена веществ). 2. Возбудимость – свойство высокоорганизованных тканей быстро реагировать на действие более сильных раздражителей специфической реакцией. Изменения при возбуждении: 1) первичные – изменение биопотенциала на мембране клетки; 2) вторичные – изменение обмена веществ, направленное на восстановление энергии, затраченной на первичные изменения. 3. Проводимость – свойство возбудимых тканей проводить возбуждение в виде дискретных актов (импульсов). Ритмический характер возбуждения открыл Н.Е. Введенский, применив телефонический метод (возбуждение распространяется в виде звуков различной частоты).

4. Лабильность (функциональная подвижность) – определяется максимальным количеством импульсов возбуждения, которое способна провести ткань в единицу времени в соответствии с ритмом раздражения, т.е. без трансформации ритма. 4. Лабильность (функциональная подвижность) – определяется максимальным количеством импульсов возбуждения, которое способна провести ткань в единицу времени в соответствии с ритмом раздражения, т.е. без трансформации ритма. Измеряется в Гц (имп/сек). Является мерой проводимости и, поскольку проводимость зависит от скорости осуществления отдельных актов возбуждения, и мерой возбудимости. Лабильность не является постоянной величиной! Например, при стимуляции нервного волокна с частотой 400 Гц будет проводиться каждый импульс. При увеличении частоты до 700 Гц будет проводиться каждый второй импульс. При частоте 800 Гц будет проводиться каждый третий импульс. Однако при увеличении частоты лабильность может повыситься, и при частоте 700 Гц вначале будет проводиться каждый второй, а затем – каждый импульс. Но увеличение лабильности не безгранично, поэтому через некоторое время она снижается. Наибольшая лабильность у нервов (500 - 1000 Гц); наименьшая у синапсов (100 - 150 Гц). Лабильность мышечной ткани 200 - 300 Гц.

Основные состояния возбудимых тканей: 1. Оперативный покой – состояние готовности клетки ответить на действие раздражителя. 2. Раздражение – неспецифическая реакция (изменение обмена веществ) на действие слабых раздражителей. 3. Возбуждение – специфическая реакция на действие более сильных раздражителей (мышца сокращается, нерв проводит импульс, железа выделяет секрет). 4. Торможение – деятельное состояние, соответствующее отсутствию видимой деятельности. Это нераспространяющееся возбуждение.

Раздражитель – любое, всякое изменение внешней или внутренней среды, возникающее достаточно быстро, действующее достаточно долго и являющееся достаточно интенсивным. Классифицируют по силе, природе (физические, химические, биологические и т.д.). Модальность – качественная характеристика раздражителя (например, звук, свет и т.д.). Адекватные раздражители действуют в естественных условиях, воспринимаются соответствующими рецепторами. Неадекватные раздражители действуют в искусственных условиях, сила их должна быть достаточно больше, чем адекватных. Самый важный – электрический ток.

а – схема установки для фиксации и стимуляции мышцы: 1 - вертикальный миограф; 2 - икроножная мышца; 3 - клеммы для подключения стимулятора; б – запись мышечных сокращений: 1 – минимальное (пороговое сокращение); 2 - 6 – субмаксимальные сокращения; 7 - 9 – максимальные сокращения; в – схема возрастания силы стимулов (от 0,5 до 9 условных единиц). За единицу взята амплитуда порогового стимула: 0,5 – подпороговый раздражитель; 1 – пороговый раздражитель; 2 - 6 – субмаксимальные раздражители; 7 – максимальный раздражитель; 8 - 9 – сверхмаксимальные раздражители.

Как и лабильность, порог раздражения является мерой или критерием возбудимости (Е) E=1/S

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН Толщина мембраны 6 - 12 нм. Состоит из фосфолипидов (около 50%) и белков (до 40%). Также в состав мембраны входят другие липиды, холестерол и углеводы. Слой фосфолипидов – двойной. Их гидрофильные части (головки) направлены к поверхности мембраны, а гидрофобные части (хвосты, стабилизирующие мембрану) – внутрь мембраны.

Белки: интегральные (И) – погружены в мембрану (некоторые из них свободно перемещаются в мембране, а другие крепятся к микротрубочкам и являются неподвижными); трансмембранные (Т) – пронизывают всю толщу мембраны; периферические (П)  – расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны (прикреплены с помощью электростатических сил). Белки: интегральные (И) – погружены в мембрану (некоторые из них свободно перемещаются в мембране, а другие крепятся к микротрубочкам и являются неподвижными); трансмембранные (Т) – пронизывают всю толщу мембраны; периферические (П)  – расположены либо на наружной, либо на внутренней поверхности мембраны (прикреплены с помощью электростатических сил).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЕРЕНОСЧИКА И ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ МОЛЕКУЛЫ Белки переносчика формируют канал, на внутренней поверхности которого имеется участок связывания молекулы А (выемка). Диффузия молекулы А через мембрану может происходить в обеих направлениях в зависимости от концентрационного или электрохимического трансмембранного градиента для этого вещества.

ИОННЫЕ КАНАЛЫ МЕМБРАН

ПОРА – ее канал всегда открыт. Поры формируют белки порины, перфорины, аквапорины, коннексины и др. В некоторых случаях образуются гигантские комплексы (например, ядерные поры), состоящие из множества разных белков. Вещество А проходит через мембрану по градиенту его концентрации или (если вещество A заряжено) по электрохимическому градиенту.

Ионные каналы состоят из связанных между собой белковых субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, пронизывающих мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующих в ней сквозной канал. Свойства ионных каналов (специфичность, проводимость) определяют как аминокислотная последовательность образующих их белков, так и конформационные изменения, происходящие с ними.

Ионные каналы имеют: - суженный участок – селективный фильтр (d 0,3 - 0,4 нм), имеет определенный заряд. Пропускает только ионы определенного размера и заряда; - воротное устройство – управляется веществом (лигандом) (может иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с лигандами) и (или) потенциалом мембраны; - дополнительные молекулярные системы: инактивации, рецепции и регуляции.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОННЫХ КАНАЛОВ МЕМБРАН По структуре (строению) и происхождению от однотипных генов – например, различают три семейства лиганд-активируемых ионных каналов: с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые); с никотиновыми холинергическими рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонинергическими рецепторами; с глутаматными рецепторами [Зефиров А.Л., Ситдикова Г.Ф. Ионные каналы возбудимой клетки (структура, функция, патология).- Казань: Арт-кафе, 2010. - 271 с.]

СВОЙСТВА КАНАЛОВ электровозбудимой мембраны: 1) селективность – это избирательно повышенная проницаемость ионного канала для определённых ионов и пониженная для других. Определяется селективным фильтром; 2) потенциалозависимость – открыты или закрыты ворота канала зависит от потенциала на мембране.

Способность чувствовать разность потенциалов определяется наличием потенциал-чувствительного домена (ПЧД), четвертый ТМ-сегмент (S4) которого несет большой положительный заряд и может служить сенсором потенциала. Такие ионные каналы образуются из четырех субъединиц, в каждой из которой есть поровый домен и ПЧД, «закрученные» вокруг общей оси, подобно лепесткам диафрагмы [О чем не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://biomolecula.ru/content/907.- Дата доступа 25.05.2012].

ПОТЕНЦИАЛ-ЗАВИСИМЫЙ НАТРИЕВЫЙ КАНАЛ А – двумерная модель. I - IV – 4 домена, каждый из которых состоит из 6 трансмембранных α-спиралей белка. α-Спирали домена IV – чувствительный к изменениям мембранного потенциала α-спирали сенсор: перемещения в плоскости мембраны этих α-спиралей (конформации) приводят к активации (открытию) канала. Внутриклеточная петля между доменами III и IV – закрывающий воротный механизм: после деполяризации мембраны эта петля смещается к поре канала, закрывает её и тем самым прекращает перемещение ионов через мембрану. Б – выделенная на рисунке А часть канала в увеличенном виде. Часть внеклеточной петли домена IV между α-спиралями 5 и 6 погружена в мембрану и участвует в определение специфичности канала для ионов (избирательный фильтр).

УЧЕНИЕ О БИОПОТЕНЦИАЛАХ связано с Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани – оппонентами в знаменитом в истории науки споре о животном электричестве.

Гальвани Л. «Трактат о силах электричества при мышечном движении» (1791): «Я разрезал и препарировал лягушку… и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на стол, на котором находилась электрическая машина…, при полном разобщении от кондуктора последней и на довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра… Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрытого».

В классическом опыте Луиджи Гальвани препарат задних конечностей лягушки подвешивался на цинковой стойке с помощью медного крючка. Когда лапки лягушки касались стойки, их мышцы сокращались. Л.Гальвани предположил, что это вызвано возникновением в мышцах электрического тока. Правильное объяснение наблюдаемому факту дал в 1792 - 1794 годах Алессандро Вольта, который доказал, что сокращение мышц вызывается электрическим током, возникающим в месте соприкосновения двух металлов (цинка стойки и меди крючка).

Во втором опыте Гальвани (1794) наблюдал сокращение мышцы, если к ней прикладывались одновременно неповрежденный продольный участок нерва и поперечный его срез. Источником электродвижущей силы в этом случае являлась разность потенциалов между неповрежденным и поврежденным участками нерва. Этим опытом впервые было доказано существование «животного электричества».

В 1840 году Маттеуччи показал, что сокращение мышцы нервно-мышечного препарата может наступить, если нерв этого препарата набросить на сокращающиеся мышцы другого нервно-мышечного препарата. На основании этого было сделано заключение, что в мышце при ее возбуждении возникают токи, которые могут стать раздражителем для нерва другого нервно-мышечного препарата. Эти токи были названы токами действия. Раздражение нерва токами действия скелетной мышцы – вторичный тетанус.

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (МП) или ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ – разность зарядов между наружной и внутренней поверхностями мембраны. В нервной клетке -70 мВ. Разность – величина скалярная, т.е. не может быть ни положительной, ни отрицательной. Знак минус указывает на то, что микроэлектрод находится на внутренней поверхности мембраны, которая заряжена отрицательно.

ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОГЕНЕЗА

МЕМБРАННО-ИОННАЯ ТЕОРИЯ Условия для возникновения МП: 1. Избирательная проницаемость мембраны – пропускает одни вещества и не пропускает другие. Не путать с полупроницаемой мембраной, которая пропускает только растворитель и не пропускает растворенное вещество!

В 1949 г. Алан Ходжкин и Бернард Катц рассчитали соотношение проницаемости (g) мембраны для различных ионов в опытах на гигантском аксоне кальмара. В покое соотношение gK+:gNa+:gCl-= 1:0,04:0,45. Это означает, что в этих условиях мембрана хорошо проницаема для ионов калия и практически непроницаема для ионов натрия. Позднее и на клетках млекопитающих было показано, что в состоянии покоя проницаемость клеточной мембраны для ионов K+ в 20–100 раз выше, чем для ионов Na+. При возбуждении gK+:gNa+:gCl-= 1:20:0,45. Следовательно, при возбуждении резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия.

2. Ионная асимметрия – внутри клетки больше калия (в 30 - 50 раз), снаружи – натрия (в 10 - 15 раз) и хлора (в 30 - 50 раз).

ИОННАЯ АСИММЕТРИЯ

Na+,К+-насос – интегральный мембранный белок. Состоит из 4 субъединиц (2 каталитические (α) – формируют канал и 2 (β) – гликопротеины). Слева и справа от насоса при помощи стрелок показаны направления трансмембранного потока ионов и воды в клетку (Na+) и из клетки (K+, Cl– и вода). АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат, Фн - неорганический фосфат.

Процессы при формировании МП:

ФОРМИРОВАНИЕ МП По концентрационному градиенту ионы калия выходят из клетки и заряжают наружную поверхность мембраны положительно. Крупные органические анионы (не хлор – его больше снаружи!!!) заряжают внутреннюю поверхность мембраны отрицательно (не могут выйти из клетки вслед за калием из-за своих больших размеров). На участке мембраны в 1 мкм 6 пар «+» и «–» ионов. Выход калия продолжается до установления равновесия (а не до исчезновения концентрационного градиента!) – положительный заряд наружной поверхности мембраны и отрицательный заряд внутренней ее поверхности начинают препятствовать дальнейшему выходу положительно заряженного калия. Т.е. равновесный заряд – это заряд, препятствующий движению иона по концентрационному градиенту.

При перемещении калия из клетки по концентрационному градиенту совершается Аосм. Ионами калия, частично возвращающимися в клетку по электрохимическому градиенту («+» притягивается к «-»), совершается Аэл. В условиях равновесия Аосм.= Аэл. Равновесный заряд зависит от концентрации соответствующего иона снаружи и внутри клетки в соответствии с уравнением Нернста. Для проницаемого через мембрану иона Х значение потенциала Нернста (Ex) выражают следующим образом: где zХ - валентность иона, T - абсолютная температура, R - газовая постоянная, F - константа Фарадея, [X] - концентрация иона X с наружной (сн) и внутренней (вн) поверхности мембраны.

Если подставить в уравнение Нернста константы, то при температуре тела EK+ равен: EK+ = –61 мВ·ln([K+вн]/[K+сн]) = –94 мВ Однако реальный МП близок к калиевому равновесному потенциалу, но не равен ему, т.к. мембрана немного проницаема для натрия и хлора в соответствии с уравнением Гольдмана-Ходжкина-Каца: ЗАКЛЮЧЕНИЕ: МП складывается из концентрационного потенциала (Еконц.) и прямого электрогенного эффекта насоса (Енас.) МП=Еконц.+Енас.

ВЕЛИЧИНА МП ЗАВИСИТ ОТ ТИПА КЛЕТОК: МП плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов от –60 мВ до –90 мВ, скелетного мышечного волокна –90 мВ, гладкомышечной клетки около –55 мВ, эритроцитов примерно –10 мВ.

ФУНКЦИИ МП: 1. Электрическое поле, рождаемое разностью зарядов, придает заряженным группам макромолекул мембраны определенную пространственную ориентацию. 2. Обеспечивает закрытое состояние активационных ворот и открытое – инактивационных.

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ (ПД) Это колебание МП при возбуждении (в нервной клетке от -70 мВ до +50 мВ).

ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ (ПД) При возбуждении резко увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия. Раздражитель за счет своей энергии изменяет МП. Открываются активационные ворота, инактивационные начинают закрываться. Но их кинетика более медленная, поэтому некоторое время мембрана будет проницаема для натрия.

Натрий движется в клетку по концентрационному и электрохимическому («+» к «-») градиентам и нейтрализует отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны. Разность потенциалов (поляризация) уменьшается – деполяризация. Когда разность зарядов исчезнет, натрий продолжает двигаться в клетку по концентрационному градиенту и заряжает внутреннюю поверхность мембраны положительно. Отрицательный заряд наружной поверхности мембраны придает хлор. Мембрана перезаряжается – реверсия потенциала или овершут (извращение). Процесс поступления натрия в клетку будет продолжаться до формирования равновесного потенциала («+» изнутри начнет отталкивать натрий, «-» снаружи – его притягивать).

ПД БЛИЗОК К НАТРИЕВОМУ РАВНОВЕСНОМУ ПОТЕНЦИАЛУ

Затем происходит восстановление МП – реполяризация.

Помимо тока покоя и тока действия существуют биопотенциалы: 1. Локальный ответ. 2. Следовые потенциалы: отрицательный (замедление реполяризации) – когда тормозится натриевая инактивация, положительный (гиперполяризация) – когда увеличивается проницаемость для калия. 3. Постсинаптические потенциалы – возбуждающий и тормозной.

ВСЕ ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМЫЕ МЕМБРАНЫ ЯВЛЯЮТСЯ МЕМБРАНАМИ РЕГЕНЕРАТОРНОГО ТИПА

Сначала проницаемость для натрия ненамного превосходит проницаемость для калия, который выходит из клетки и мешает деполяризации, вызываемой натрием. Но, поскольку натриевый ток преобладает над калиевым, деполяризация все таки развивается, хотя и медленно – это локальный ответ. Когда деполяризация достигает критического уровня (КУД), щелчком открывается огромное количество натриевых каналов. Ток натрия в клетку становится лавинообразным и развивается быстрая регенеративная деполяризация – восходящая часть потенциала действия.

Если деполяризация не достигнет критического уровня, будет формироваться только локальный ответ.

КРИТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ (КУД) ЗАВИСИТ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ОТ СВОЙСТВ МЕМБРАНЫ:

При изменении МП изменяется возбудимость. Это связано с изменением порога деполяризации (Vt) – разницы между Ек и Ео , т.е. той величины, на которую необходимо повысить МП, чтобы возник ПД. Ео + Vt = Ек Чем Vt больше, тем возбудимость меньше. Например, Ео= -70 мВ, Ек= -50 мВ, Vt= 20 мВ. Пороговый раздражитель должен сдвинуть Ео на эту величину, чтобы деполяризация достигла критического уровня. Если Ео увеличится до -90 мВ (гиперполяризация), то Vt станет 40 мВ. На раздражитель, на который раньше ткань отвечала (он вызывает деполяризацию на 20 мВ), теперь реакции не будет, т.к. деполяризация дойдет от -90 до -70 мВ, т.е. не достигнет критического уровня (будет только локальный ответ). Нужно подействовать раздражителем, который будет вызывать деполяризацию на 40 мВ, т.е. более сильным. Это означает, что возбудимость ткани стала меньше, т.к. Е=1/S Е - возбудимость, S - порог раздражения.

СООТНОШЕНИЕ ФАЗ ВОЗБУДИМОСТИ С ФАЗАМИ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ. В момент локального ответа возбудимость повышается, в момент восходящей фазы пика – снижается (абсолютная рефрактерность – ни на какие раздражители клетка не отвечает). В момент нисходящей фазы пика возбудимость восстанавливается (относительная рефрактерность – клетка отвечает на сверхпороговые раздражители). Во время отрицательного следового потенциала возбудимость увеличивается, положительного – уменьшается.