В основе всех физиологических реакций лежит способность живых клеток реагировать на раздражитель. Раздражитель (стимул) - любое изменение внешней или внутренней среды, которое действует на клетку или многоклеточную систему (ткань, организм).
1. Раздражители
По природе раздражители подразделяют на:
- физические (звук, свет, температура, вибрация, осмотическое давление), особое значение для биологических систем имеют электрические раздражители;
- химические (ионы, гормоны, нейромедиаторы, пептиды, ксенобиотики);
- информационные (голосовые команды, условные знаки, условные стимулы).
По биологическому значению раздражители подразделяют на:
Никотиновый ацетилхолиновый рецептор, вероятно, является самым известным рецептором во всех нейротрансмиссиях. Ее историческое значение происходит от миастения, тяжелой мышечной патологии, с нашей точки зрения, проложил путь к нетерапевтическому используют ингибиторы холинэстеразы, такие как физостигмин, особенно в развитии страшных и смертоносных газов, которые остаются угрозой массовое разрушение, с его воинственным использованием, для живой организации и особенно для человека. Другим аспектом, который следует выделить, является высокая концентрация и плотность никотиновых рецепторов в электрических органах нескольких видов рыб и, наконец, широкое распространение в животном мире и в растительном мире нейротоксинов, которые необратимо связываются с холинергическими рецепторами.
- адекватные - раздражители, для восприятия которых биологическая система имеет специальные приспособления;
- неадекватные - раздражители, не соответствующие природной специализации рецепторных клеток, на которые они действуют.
Раздражитель вызывает возбуждение только в том случае, если он достаточно силен. Порог возбуждения- минимальная сила раздражителя, достаточная для того, чтобы вызвать возбуждение клетки. Выражение “порог возбуждения” имеет несколько синонимов: порог раздражения, пороговая сила раздражителя, порог силы.
Никотиновый рецептор представляет собой гликопротеин, образованный пятью субъединицами, из которых два являются идентичными пептидными цепями; хотя субъединицы гомологичны, они не эквивалентны. Это когда канал проводимости открывается и появляется результат приема. Мускариновый рецептор дает более медленный ответ, но его эффекты более продолжительны. Этот рецептор не реагирует так же, как никотиновая, но нуждается в втором мессенджере.
Ацетилхолин как таковой имеет очень мало терапевтической ценности из-за органического объекта его гидролиза; поэтому, например, на устном уровне его использование не имеет смысла. Это привело к тому, что фармацевтическая химия направила свои шаги на пути использования мускариновых и никотиновых агонистов и антагонистов в качестве экспрессии холинергической агонистической и антагонистической активности.
2. Возбуждение как активная реакция клетки на раздражитель
Реакция клетки на внешнее воздействие (раздражение) отличается от реакции небиологических систем следующими особенностями:
- энергией для реакции клетки служит не энергия раздражителя, а энергия, образующаяся в результате метаболизма в самой биологической системе;
- сила и форма реакции клетки не определяется силой и формой внешнего воздействия (если сила раздражителя выше пороговой).
В некоторых специализированных клетках реакция на раздражитель проявляется особенно интенсивно. Такую интенсивную реакцию называют возбуждением. Возбуждение - активная реакция специализированных (возбудимых) клеток на внешнее воздействие, проявляющаяся в том, что клетка начинает выполнять присущие ей специфические функции.
Он более устойчив к гидролизу за счет включения нового метила в ацетилхолин и поддерживает мускариновую активность, но не обладает никотиновой активностью. Это холина карбамат; Он также более устойчив к гидролизу, чем ацетилхолин, и применяется местно при лечении глаукомы. Он используется перорально в случаях желудочно-кишечной и мочевой атонии, особенно при послеоперационном лечении. Хотя он определяет сам холинергический рецептор, он не используется, потому что он очень токсичен. Среди его автономных эффектов быстро наблюдаются гиперсекреция слюны и потоотделение. Это алкалоид ореха арека и используется для лечения слабоумия, первой симптоматикой которой является потеря меничной способности. Однако у него много проблем с автономными побочными эффектами, такими как тошнота, диарея, бронхоспазм, гипотония и т.д. Это синтетические ацетиленовые производные, которые производят тремор, поэтому они используются для проверки эффективности противосудорожных препаратов. Они по существу являются сложными эфирами холма с кислотами, которые вместо уксусной кислоты являются карбоксильными.
Возбудимая клетка может находиться в двух дискретных состояниях:
- состоянии покоя (готовность к реагированию на внешнее воздействие, совершение внутренней работы);
- состоянии возбуждения (активное выполнение специфических функций, совершение внешней работы).
В организме существует 3 типа возбудимых клеток:
Однако они имеют мало терапевтического значения. В качестве общего подхода мы можем ссылаться на его действие как спазмолитическое и парасимпатическое. Как и следовало ожидать, снижение слюны, слезной, бронхиальной и желудочной секреции снижается; то есть они имеют явный автономный эффект, обычно парасимпатический. В своем терапевтическом применении они выделяются при лечении глаукомы и язвенной болезни.
Они используются как спазмолитики при поносе и коликах и как противоядие от эффектов антихолинэстеразы. Это типичный антагонист М 1, который определяет его как чистую антихолинергическую без побочных эффектов автономного типа, таких как сухость во рту, мидриаз и т.д. Они могут быть ганглиозными блокаторами и нервно-мышечными блокаторами. Среди первых можно упомянуть гексаметоний и мекамиламин. Среди секунд - тубокурарин, который является типичным ядом парализующих стрел некоторых амазонских индейцев; сукцинилхолин, который, подобно курару, блокирует рецепторы и мышцы, не реагирует на действие ацетилхолина; и декаметоний, который имеет такие же эффекты, но очень длительный, менее легко гидролизуется, чем сукцинилхолин.
- нервные клетки (возбуждение проявляется генерацией электрического импульса);
- мышечные клетки (возбуждение проявляется сокращением);
- секреторные клетки (возбуждение проявляется выбросом в межклеточное пространство биологически активных веществ);
Возбудимость - способность клетки переходить из состояния покоя в состояние возбуждение при действии раздражителя. Разные клетки имеют различную возбудимость. Возбудимость одной и той же клетки меняется в зависимости от ее функционального состояния.
Функциональные значения ацетилхолина
Существуют три различные эмпирические опоры, которые относятся к ацетилхолину с когнитивными функциями. Во-первых, следует упомянуть «холинергическую гипотезу» о дисфункции гериатрической памяти, которая пытается объяснить когнитивные нарушения у пожилых людей и людей, страдающих болезнью Альцгеймера, в результате дисфункции. холинергические. Таким образом, исследования проводятся с использованием холинергических препаратов и их возможное влияние на остановку или даже улучшение когнитивных функций.
3. Возбудимая клетка в состоянии покоя
Мембрана возбудимой клетки поляризована, т.е. имеется постоянная разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью клеточной мембраны, которую называют мембранный потенциал (МП). В состоянии покоя величина МП составляет -60…-90 мВ (внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Значение МП клетки в состоянии покоя называют потенциалом покоя (ПП). МП клетки можно измерять, разместив один электрод внутри, а другой снаружи клетки (рис. 2.1).
Также было замечено, что после введения анестетиков и антихолинергических антидепрессантов появляются симптомы, характерные для деменции, такие как забвение и замешательство. Кроме того, у пожилых людей наблюдается большая предрасположенность к экспериментальному поражению холинергическим блоком. Это согласуется с наблюдениями, которые приписывают эту повышенную чувствительность пожилых людей по сравнению с молодыми по отношению к неблагоприятным антихолинергическим эффектам лекарств, таких как трициклические антидепрессанты, которые, как упоминалось выше, будут вызывать ухудшение познавательной способности.
Уменьшение МП относительно его нормального уровня (ПП) называют деполяризацией, а увеличение - гиперполяризацией. Под реполяризацией понимают восстановление исходного уровня МП после его изменения (см. рис. 2.1 Б).
4. Электрические и физиологические проявления возбуждения
Рассмотрим различные проявления возбуждения на примере раздражения клетки электрическим током (рис. 2.2)
По-видимому, ясно, что некоторые аспекты холинергической активности головного мозга истощаются по мере нашего возраста на уровне инкарнации корковых и гиппокампа; однако относительно небольшие эффекты скополамина сами по себе не объясняют значительных общих когнитивных нарушений в связи с преклонным возрастом. Скорее, влияние нормального снижения по возрасту других нейротрансмиттеров, таких как катехоламины, серотонин или глутамат, которые также участвуют как в познании, так и в памяти, должны быть взяты вместе.
После первого приема антидепрессанта были описаны такие эффекты, как седация, психомоторный ущерб и нарушения в памяти; после продолжительного лечения с ними уменьшаются седативные и психомоторные аспекты, но не так расстройства в памяти. Таким образом, трициклические лекарственные средства, такие как нортриптилин и амитриптилин, или тетрациклики, такие как мапротилин, оказывали вредное воздействие на память, внимание и концентрацию, которые могут быть непрерывными в течение всего периода лечения.
При действии слабых (подпороговых) импульсов электрического тока в клетке развивается электротонический потенциал. Электротонический потенциал (ЭП) - сдвиг мембранного потенциала клетки, вызываемый действием постоянного электрического тока. ЭП есть пассивная реакция клетки на электрический раздражитель; состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом не изменяется. ЭП не проявляется физиологической реакцией клетки. Поэтому ЭП не является возбуждением.
Ингибиторы моноаминоксидазы обладают антихолинергическими эффектами, сходными с трициклическими антидепрессантами, но менее выраженными. Второе поколение антидепрессантов и селективных ингибиторов обратного захвата серотонина считается свободным от антихолинергических эффектов, и даже обратимые ингибиторы обратного захвата моноаминоксидазы могут даже улучшить когнитивные функции.
Наконец, существует серия исследований, посвященных использованию холинергических препаратов в качестве инструментов для анализа нейрохимической основы человеческого познания. С этой точки зрения, мы должны увидеть, существует ли прямая связь между антихолинергическими эффектами и ущербом памяти, или если этот эффект обусловлен различными процессами отбора внимания, затраченных усилий и сокращения ресурсов, связанных с ними. Как скополамин, так и никотин были использованы для изучения роли ацетилхолина во внимании и памяти и выяснения того, какие аспекты памяти и другие когнитивные изменения происходят по мере того, как мы становимся старше.
При действии более сильного подпорогового тока возникает более пролонгированный сдвиг МП - локальный ответ. Локальный ответ (ЛО) - активная реакция клетки на электрический раздражитель, однако, состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом изменяется незначительно. ЛО не проявляется заметной физиологической реакцией клетки. ЛО называют местным возбуждением, т.к. это возбуждение не распространяется по мембранам возбудимых клеток.
В частности, действие скополамина отражается в нескольких аспектах когнитивного функционирования: оно ухудшает память, изменяет выбор и оценку экологической информации и вызывает седативный эффект. Существует серия работ, которые пытаются проанализировать влияние скополамина на познание или что то же самое, как скополамин влияет на выполнение различных задач, чтобы установить влияние, которое мускариновая блокада оказывает на психологические процессы, вызванные в таких мероприятиях.
Влияние скополамина на изучение слов: этот тест состоял из 5 представлений списка из 15 несвязанных односложных слов, соответствующих их частоте. После каждой презентации оценивалась производительность в памяти слов и процент неправильных слов. Рисунок 13: Влияние скополамина на изучение слов.
При действии порогового и сверхпорогового тока в клетке развивается потенциал действия (ПД). ПД характеризуется тем, что значение МП клетки очень быстро уменьшается до 0 (деполяризация), а затем мембранный потенциал приобретает положительное значение (+20…+30 мВ), т.е. внутренняя сторона мембраны заряжается положительно относительно наружной. Затем значение МП быстро возвращается к исходному уровню. Сильная деполяризация клеточной мембраны во время ПД приводит к развитию физиологических проявлений возбуждения (сокращение, секреция и др.).ПД называют распространяющимся возбуждением, поскольку, возникнув в одном участке мембраны, он быстро распространяется во все стороны.
Как видно из графиков, скополамин отрицательно влияет на изучение новых слов, но его наиболее существенным эффектом, по-видимому, является сочетание плохого правильного отзыва слов и значительного увеличения доли «вторжений»; казалось бы, скополамин увеличит процент «шума», когда дело доходит до получения правильных слов из памяти.
Рисунок 14: Влияние скополамина на вероятность запоминания слов, полученных в соответствии с порядковым положением слов в списке. «Вероятность отзыва» относится к проценту субъектов, которые запоминали слово в данной серийной позиции. Графики показывают, что эта вероятность отзыва не зависит от скополамина в терминах слов, которые находятся в конце списка ни в одном из первых трех условий. Восстановление также количественно уменьшается, как показывают времена реакции, которые были получены в разведке, которые были очень длинными.
Механизм развития ПД практически одинаков для всех возбудимых клеток. Механизм сопряжения электрических и физиологических проявлений возбуждения различен для разных типов возбудимых клеток (сопряжение возбуждения и сокращения, сопряжение возбуждения и секреции).
5. Устройство клеточной мембраны возбудимой клетки
Это также можно интерпретировать по сложности, связанной с доступностью информации, которая обрабатывается с меньшей глубиной, когда она сохраняется в рабочей памяти. В этом случае субъекту был представлен один или несколько «объективных предметов», которые он должен запомнить, чтобы позже попытаться идентифицировать их на листе, который содержал 20 из тех же предметов и 100 объективных предметов, которые были неправильными.
Рисунок 15: Влияние скополамина на поиск в памяти с использованием различных целей в тестах памяти. Наблюдалось увеличение времени отклика, так как количество элементов, подлежащих сохранению в памяти, увеличивалось после введения скополамина. Это дает дополнительную эмпирическую поддержку гипотезе о том, что процессы восстановления в памяти особенно задерживаются скополамином. Таким образом, на втором графике мы можем заметить, что в условиях, когда практически нет нагрузки на память, ни время визуального кодирования, ни время выполнения ответа не изменяются скополамином, будучи только в ситуациях с более высокой нагрузкой на память где оценивается эффект мускариновой блокировки.
В механизмах развития возбуждения участвуют 4 вида ионов: K + , Na + , Ca 2+ , Cl - (ионы Ca 2+ участвуют в процессах возбуждения некоторых клеток, например, кардиомиоцитов, а ионы Cl - важны для развития торможения). Мембрана клетки, представляющая собой липидный бислой, непроницаема для этих ионов. В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы.
Рисунок 16: Влияние скополамина на время реакции. Б.: «Основная нейрохимия». Как время принятия решения, так и время движения значительно увеличиваются с помощью эффекта скополамина, что говорит о том, что скополамин оказывает постоянное влияние как на когнитивные, так и на проницательные двигатели.
Здесь вы можете увидеть действие скополамина, которое наносит ущерб разрешению такого рода задач. Однако в задачах, в которых необходимо подавлять преобладающий тип ответа у субъекта, скополамин не оказывает отрицательного влияния на казнь. Это согласуется с гипотезой о том, что скополамин только препятствует процессам, которые являются автоматически автоматическими. Это не происходит с другими исполнительными функциями, такими как подавление доминирующего ответа на входные стимулы, которые отвлекают или противоречат друг другу.
Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты
Ионные насосы (помпы)- интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Na + /K + помпа (откачивает из клетки Na + в обмен на К +), Ca 2+ помпа (откачивает из клетки Ca 2+), Cl - помпа (откачивает из клетки Cl -).
В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:
- концентрация Na + , Ca 2+ , Cl - внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости)
- концентрация K + внутри клетки выше, чем снаружи.
Ионные каналы
Ионные каналы - интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрация ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).
Неселективные каналы обладают следующими свойствами:
- пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K + значительно выше, чем для других ионов;
- всегда находятся в открытом состоянии.
Селективные каналы обладают следующими свойствами:
- пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
- могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.
Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.
Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма, который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, т.н. активационные ворота и инативационные ворота, изменяя свою конформацию могут перекрывать ионный канал.
В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт) (рис. 2.3). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.
В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:
- хемочувствительные каналы - сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда.
- потенциалчувствительные каналы - сигналом к открытию активационных ворот является снижение МП (деполяризация) клеточной мембраны до определнного уровня, который называют критичеким уровнем деполяризации (КУД);
6. Механизм формирования потенциала покоя
Мембранный потенциал покоя образуется, главным образом, благодаря выходу К + из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.
Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К + , называют “равновесным калиевым потенциалом” (Е К ). Его можно рассчитать по формуле Нернста:
где R - универсальная газовая постоянная,
Т - температура (по Кельвину),
F - число Фарадея,
[К + ] нар - концентрация ионов К + снаружи клетки,
[К + ] вн - концентрация ионов К + внутри клетки.
ПП, как правило, очень близок к Е К, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:
- поступление в клетку Na + и Cl - через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl - дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na + - дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, т.к. проницаемость неселективных каналов для Cl - и Na + в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К + ;
- прямой электрогенный эффект Na + /К + ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (количество переносимых в клетку ионов K + не равно количеству выносимых из клетки ионов Na +).
7. Механизм развития потенциала действия
В потенциале действия выделяют несколько фаз:
- фаза деполяризации;
- фаза быстрой реполяризации;
- фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);
- фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).
Фаза деполяризации . Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na + -каналов. Положительно заряженные ионы Na + входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации . В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К + -каналов. Положительно заряженные ионы К + выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.
Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na + /K + помпы.
Овершут - период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение.
Пороговый потенциал - разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации. Величина порогового потенциала определяет возбудимость клетки - чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.
8. Изменение возбудимости клетки при развитии возбуждения
Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки.
- Супернормальная возбудимость (экзальтация ) - состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.
- Абсолютная рефрактерность - состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный раздражитель, не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na + -каналы уже находятся в открытом состоянии.
- Относительная рефрактерность - состояние в котором возбудимость клетки значительно ниже нормальной, только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.
- Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.
Возбуждение, возникнув в одном участке мембраны возбудимой клетки, обладает способностью распространяться. Длинный отросток нейрона - аксон (нервное волокно) выполняет в организме специфическую функцию проведения возбуждения на большие расстояния.
1. Законы проведения возбуждения по нервным волокнам
- Закон анатомической и физиологической непрерывности - возбуждение может распространяться по нервному волокну только в случае его морфологической и функциональной целостности.
- Закон двустороннего проведения возбуждения - возбуждение, возникающее в одном участке нерва, распространяется в обе стороны от места своего возникновения. В организме возбуждение всегда распространяется по аксону от тела клетки (ортодромно).
- Закон изолированного проведения - возбуждение, распространяющееся по волокну, входящему в состав нерва, не передается на соседние нервные волокна.
2. Особенности проведения местного и распространяющегося возбуждения
Локальный ответ (местное возбуждение)
- распространяется по нервным волокнам с затуханием (с декрементом), т.е. амплитуда локального ответа быстро падает с увеличением расстояния от места его возникновения;
- вследствие затухания локальный ответ распространяется на небольшие расстояния (не более 2 см);
- местное возбуждение распространяется пассивно, без затрат энергии клетки;
- механизм распространения местного возбуждения аналогичен распространению электрического тока в проводниках; такой способ распространения возбуждения называют электротоническим.
Потенциал действия (распространяющееся возбуждение)
- распространяется по нервным волокнам без затухания, амплитуда потенциала действия одинакова на любом расстоянии от места его возникновения;
- расстояние, на которое распространяется потенциал действия, ограничено только длиной нервного волокна;
- распространение потенциала действия - активный процесс, в ходе которого изменяется состояние ионных каналов волокна, энергия АТФ требуется для восстановления трансмембранных ионных градиентов;
- механизм проведения потенциала действия более сложен, чем механизм распространения местного возбуждения.
3. Миелиновые и безмиелиновые нервные волокна
Миелиновые волокна. Часть нервных волокон в ходе эмбриогенеза подвергается миелинизации: леммоциты (шванновские клетки) сначала прикасаются к аксону, а затем окутывают его (рис 4.1 А, Б). Мембрана леммоцита наматывается на аксон наподобие рулета, образуя многослойную спираль (миелиновую оболочку) (рис 4.1 В, Г). Миелиновая оболочка не является непрерывной - по всей длине нервного волокна на равном расстоянии друг от друга в ней имеются небольшие перерывы (перехваты Ранвье). В области перехватов аксон лишен миелиновой оболочки.
Безмиелиновые волокна. Миелинизация других волокон заканчивается на ранних стадиях эмбрионального развития. В леммоцит погружается один или несколько аксонов; он полностью или частично окружает их, но не образует многослойной миелиновой оболочки.
Раздражители
По природе раздражители подразделяют на:
физические (звук, свет, температура, вибрация, осмотическое давление), особое значение для биологических систем имеют электрические раздражители;
химические (ионы, гормоны, нейромедиаторы, пептиды, ксенобиотики);
информационные (голосовые команды, условные знаки, условные стимулы).
По биологическому значению раздражители подразделяют на:
адекватные
– раздражители, для восприятия которых биологическая система имеет специальные приспособления;
неадекватные
– раздражители, не соответствующие природной специализации рецепторных клеток, на которые они действуют.
Раздражитель вызывает возбуждение только в том случае, если он достаточно силен. Порог возбуждения – минимальная сила раздражителя, достаточная для того, чтобы вызвать возбуждение клетки. Выражение «порог возбуждения» имеет несколько синонимов: порог раздражения, пороговая сила раздражителя, порог силы.
Возбуждение как активная реакция клетки на раздражитель
Реакция клетки на внешнее воздействие (раздражение) отличается от реакции небиологических систем следующими особенностями:
энергией для реакции клетки служит не энергия раздражителя, а энергия, образующаяся в результате метаболизма в самой биологической системе;
сила и форма реакции клетки не определяется силой и формой внешнего воздействия (если сила раздражителя выше пороговой).
В некоторых специализированных клетках реакция на раздражитель проявляется особенно интенсивно. Такую интенсивную реакцию называют возбуждением. Возбуждение – активная реакция специализированных (возбудимых) клеток на внешнее воздействие, проявляющаяся в том, что клетка начинает выполнять присущие ей специфические функции.
Возбудимая клетка может находиться в двух дискретных состояниях:
состоянии покоя (готовность к реагированию на внешнее воздействие, совершение внутренней работы);
состоянии возбуждения (активное выполнение специфических функций, совершение внешней работы).
В организме существует 3 типа возбудимых клеток:
нервные клетки (возбуждение проявляется генерацией электрического импульса);
мышечные клетки (возбуждение проявляется сокращением);
секреторные клетки (возбуждение проявляется выбросом в межклеточное пространство биологически активных веществ).
Возбудимость – способность клетки переходить из состояния покоя в состояние возбуждения при действии раздражителя. Разные клетки имеют различную возбудимость. Возбудимость одной и той же клетки меняется в зависимости от ее функционального состояния.
Возбудимая клетка в состоянии покоя
Мембрана возбудимой клетки поляризована. Это означает, что имеется постоянная разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностью клеточной мембраны, которую называют мембранный потенциал (МП). В состоянии покоя величина МП составляет –60…–90 мВ (внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно относительно наружной). Значение МП клетки в состоянии покоя называют потенциалом покоя (ПП). МП клетки можно измерять, разместив один электрод внутри, а другой снаружи клетки (рис. 1 А) .
Уменьшение МП относительно его нормального уровня (ПП) называют деполяризацией , а увеличение – гиперполяризацией . Под реполяризацией понимают восстановление исходного уровня МП после его изменения (см. рис. 1 Б).
Электрические и физиологические проявления возбуждения
Рассмотрим различные проявления возбуждения на примере раздражения клетки электрическим током (рис. 2).
При действии слабых (подпороговых) импульсов электрического тока в клетке развивается электротонический потенциал. Электротонический потенциал (ЭП) – сдвиг мембранного потенциала клетки, вызываемый действием постоянного электрического тока . ЭП есть пассивная реакция клетки на электрический раздражитель; состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом не изменяется. ЭП не проявляется физиологической реакцией клетки. Поэтому ЭП не является возбуждением.
При действии более сильного подпорогового тока возникает более пролонгированный сдвиг МП – локальный ответ. Локальный ответ (ЛО) – активная реакция клетки на электрический раздражитель, однако состояние ионных каналов и транспорт ионов при этом изменяется незначительно. ЛО не проявляется заметной физиологической реакцией клетки. ЛО называют местным возбуждением , так как это возбуждение не распространяется по мембранам возбудимых клеток.
При действии порогового и сверхпорогового тока в клетке развивается потенциал действия (ПД). ПД характеризуется тем, что значение МП клетки очень быстро уменьшается до 0 (деполяризация), а затем мембранный потенциал приобретает положительное значение (+20…+30 мВ), т. е. внутренняя сторона мембраны заряжается положительно относительно наружной. Затем значение МП быстро возвращается к исходному уровню. Сильная деполяризация клеточной мембраны во время ПД приводит к развитию физиологических проявлений возбуждения (сокращение, секреция и др.). ПД называют распространяющимся возбуждением , поскольку, возникнув в одном участке мембраны, он быстро распространяется во все стороны.
Механизм развития ПД практически одинаков для всех возбудимых клеток. Механизм сопряжения электрических и физиологических проявлений возбуждения различен для разных типов возбудимых клеток (сопряжение возбуждения и сокращения, сопряжение возбуждения и секреции).
Устройство клеточной мембраны возбудимой клетки
В механизмах развития возбуждения участвуют 4 вида ионов: K+ , Na+ , Ca++ , Cl – (ионы Ca++ участвуют в процессах возбуждения некоторых клеток, например кардиомиоцитов, а ионы Cl – важны для развития торможения). Мембрана клетки, представляющая собой липидный бислой, непроницаема для этих ионов. В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы.
Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты
Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl –).
В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:
концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.
Ионные каналы
Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).
Неселективные каналы
пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;
всегда находятся в открытом состоянии.
Селективные каналы
обладают следующими свойствами:
пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.
Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром , который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.
Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма , который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.
В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт) (рис. 3). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня МП канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.
В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:
хемочувствительные каналы
– сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;
потенциалчувствительные каналы
– сигналом к открытию активационных ворот является снижение МП (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации
(КУД).
Механизм формирования потенциала покоя
Мембранный потенциал покоя образуется главным образом благодаря выходу К+ из клетки через неселективные ионные каналы. Утечка из клетки положительно заряженных ионов приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны клетки заряжается отрицательно относительно наружной.
Мембранный потенциал, возникающий в результате утечки К+ , называют «равновесным калиевым потенциалом» (Ек ). Его можно рассчитать по равнению Нернста
где R
– универсальная газовая постоянная,
Т
– температура (по Кельвину),
F
– число Фарадея,
[К+] нар – концентрация ионов К+ снаружи клетки,
[К+] вн – концентрация ионов К+ внутри клетки.
ПП, как правило, очень близок к Ек, но не точно равен ему. Эта разница объясняется тем, что свой вклад в формирование ПП вносят:
поступление в клетку Na+ и Cl– через неселективные ионные каналы; при этом поступление в клетку Cl– дополнительно гиперполяризует мембрану, а поступление Na+ – дополнительно деполяризует ее; вклад этих ионов в формирование ПП невелик, так как проницаемость неселективных каналов для Cl– и Na + в 2,5 и 25 раза ниже, чем для К+ ;
прямой электрогенный эффект Na+ /К+ ионного насоса, возникающий в том случае, если ионный насос работает асимметрично (количество переносимых в клетку ионов K+ не равно количеству выносимых из клетки ионов Na+).
Механизм развития потенциала действия
В потенциале действия выделяют несколько фаз (рис. 4):
фаза деполяризации;
фаза быстрой реполяризации;
фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);
фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).
Фаза деполяризации . Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na+-каналов. Положительно заряженные ионы Na+ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.
Фаза быстрой и медленной реполяризации . В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К+ -каналов. Положительно заряженные ионы К+ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.
Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na+ / K+ помпы.
Овершут – период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение.
Пороговый потенциал – разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации. Величина порогового потенциала определяет возбудимость клетки – чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.
Изменение возбудимости клетки при развитии возбуждения
Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки (см. рис. 4).
Супернормальная возбудимость (экзальтация ) – состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.
Абсолютная рефрактерность – состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный, раздражитель не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na+ -каналы уже находятся в открытом состоянии.
Относительная рефрактерность – состояние, в котором возбудимость клетки значительно ниже нормальной; только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.
Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.
