Нормальная физиология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нормальная физиология

Лекции Патюкова А.Г.

2003-2004г.

II курс. III семестр

ФИЗИОЛОГИЯ, КАК НАУКА

Физиология дословно - это учение о природе.

Физиология - это наука, изучающая процессы жизнедеятельности организма, составляющих его физиологических систем, отдельных органов, тканей, клеток и субклеточных структур, механизмы регуляции этих процессов, а так же действие факторов внешней среды на динамику жизненных процессов.

История развития физиологии

Первоначально представление о функциях организма складывались на основе работ ученых Древней Греции и Рима: Аристотеля, Гиппократа, Галена и других, а так же ученых Китая и Индии.

Физиология стала самостоятельной наукой в XVII веке, когда наряду с методами наблюдения за деятельностью организма началась разработка экспериментальных методов исследования. Этому способствовали работы Гарвея, изучающего механизмы кровообращения; Декарта, описывающего рефлекторный механизм.

В XIX-XX веках физиология интенсивно развивается. Так, исследования возбудимости тканей провели К. Бернард, Лапик. Значительный вклад внесли ученые: Людвиг, Дюбуа-Реймон, Гельмгольц, Пфлюгер, Бэлл, Пенгли, Ходжкин и отечественные ученые Овсяников, Ниславский, Цион, Пашутин, Введенский.

Отцом русской физиологи называют Ивана Михайловича Сеченова. Выдающееся значение имели его труды по изучению функций нервной системы (центральное или сеченовское торможение), дыхания, процессов утомления и другое. В своей работе «Рефлексы головного мозга» (1863г) он развил идею о рефлекторной природе процессов, происходящих в мозге, включая процессы мышления. Сеченов доказал детерминированность психики внешними условиями, т.е. ее зависимость от внешних факторов.

Экспериментальное обоснование положений Сеченова осуществил его ученик Иван Петрович Павлов. Он расширил и развил рефлекторную теорию, исследовал функции органов пищеварения, механизмы регуляции пищеварения, кровообращения, разработал новые подходы в проведении физиологического опыта «методы хронического опыта». За работы по пищеварению в 1904 году ему была присуждена Нобелевская премия. Павлов изучал основные процессы, протекающие в коре больших полушарий. Используя разработанный им метод условных рефлексов, он заложил основы науки о высшей нервной деятельности. В 1935 году на всемирном конгрессе физиологов И. П. Павлов был назван патриархом физиологов мира.

Цель, задачи, предмет физиологии

Опыты на животных дают много сведений для понимания функционирования организма. Однако, физиологические процессы, протекающие в организме человека, имеют значительные отличия. Поэтому в общей физиологии выделяют специальную науку - физиологию человека. Предметом физиологии человека является здоровый человеческий организм.

Основные задачи:

1. Исследование механизмов функционирования клеток, тканей, органов, систем органов, организма в целом.

2. Изучение механизмов регуляции функций органов и систем органов.

3. Выявление реакций организма и его систем на изменение внешней и внутренней среды, а так же исследование механизмов возникающих реакций.

Эксперимент и его роль

Физиология - наука экспериментальная и ее основным методом является эксперимент.

1. Острый опыт или вивисекция («живосечение»). В его процессе под наркозом производят хирургическое вмешательство и исследуют функцию открытого или закрытого органа. После опыта выживания животного не добиваются. Длительность таких опытов - от нескольких минут до нескольких часов. Например, разрушение мозжечка у лягушки. Недостатками острого опыта являются малая продолжительность опыта, побочное влияние наркоза, кровопотери и последующая гибель животного.

2. Хронический опыт осуществляется путем проведения на подготовительном этапе оперативного вмешательства для доступа к органу, а после заживления приступают к исследованию. Например, наложение фистулы слюнного протока у собаки. Эти опыты имеют продолжительность до нескольких лет.

3. Иногда выделяют подострый опыт. Его длительность - недели, месяцы.

Эксперименты на человеке коренным образом отличаются от классических.

1. Большинство исследований проводят неинвазивным путем (ЭКГ, ЭЭГ).

2. Исследования, не наносящие вред здоровью испытуемого.

3. Клинические эксперименты - изучение функций органов и систем при их поражении или патологии в центрах их регуляции.

Регистрация физиологических функций проводится различными методами: простые наблюдения и графическая регистрация.

В 1847 году Людвиг предложил кимограф и ртутный манометр для регистрации кровяного давления. Это позволило свести к минимуму опытные ошибки и облегчить анализ полученных данных. Изобретение струнного гальванометра позволило зарегистрировать ЭКГ.

В настоящее время в физиологии большое значение имеет регистрация биоэлектрической активности тканей и органов и микроэлектронный метод. Механическую активность органов регистрируют с помощью механо-электрических преобразователей. Структуру и функцию внутренних органов изучают с помощью ультразвуковых волн, ядерно-магнитного резонанса, компьютерной томографии.

Все данные, полученные с помощью этих методик, поступают на электрические пишущие устройства и регистрируются на бумаге, фотопленке, в памяти компьютера и в дальнейшем анализируются.

Связь физиологии с другими науками

Физиология - теоретическая основа медицины. Она является фундаментом для решения проблем, связанных с сохранением здоровья и работоспособности человека в разных условиях существования и в разные возрастные периоды.

Чтобы распознать болезнь, нужно знать нормальное состояние функций организма, а чтобы ее лечить, нужно иметь представление о механизмах изменчивости функций организма. Поэтому физиология, являясь основополагающей биологической наукой, тесно связана и с другими науками.

Так, без знания законов физики, невозможно объяснение биоэлектрических явлений в тканях, цвето- и звуковосприятие. Без применения данных химии нельзя описать процессы обмена веществ, пищеварения и дыхания. Поэтому на стыке этих наук с физиологией выделились биохимия, биофизика. Физиология тесно связана с морфологическими науками цитологией и гистологией, анатомией. Физиология связана с кибернетикой, которая изучает процессы управления внутри организма, механизмы обратной связи. Физиология раскрывает материальные основы некоторых высших функций человеческого мозга и тем самым тесно связана с психологией.

Математика, как способ обработки данных и моделирования процессов, широко применяется в физиологии. Физиология тесно связана с клиническими дисциплинами.

Основные разделы физиологии.

1. Общая физиология изучает основные закономерности жизнедеятельности организма и механизмы основных процессов.

2. Частная физиология - функции отдельных клеток, органов и физиологических систем. В ней выделяют физиологию мышечной ткани, физиологию сердца и другие.

3. Разделы, имеющие специфические предметы исследования и использующие особые подходы: эволюционная, сравнительная физиология.

4. В физиологии человека выделяют прикладные разделы: возрастная, клиническая физиология, физиология труда и спорта, авиационная и космическая физиология.

5. Некоторые разделы физиологии являются базой для психологии: физиология высшей нервной деятельности, физиология центральной нервной системы.

Механизм регуляции функций организма

Организм - сложная саморегулирующаяся система, состоящая из клеток, тканей, органов. Они в свою очередь образуют физиологические системы, которые выполняют комплекс однородных функций (например, система дыхания). Физиологические системы являются наследственными. Все органы этих систем имеют единые механизмы регуляции. Они координируют их деятельность и согласовывают работу физиологических систем друг с другом.

В организме выделяют 2 системы регуляции: нервную и гуморальную (физиологически более древняя) - регуляция посредством физиологически активных веществ, циркулирующих в жидкостях организма - крови, лимфы, межклеточной жидкости.

Факторы гуморальной регуляции:

1. Гормоны желез внутренней секреции. Они образуются специальными инкреторными железами. Пример - инсулин, тироксин.

2. Продукты метаболизма и ионов.

3. Местные или тканевые гормоны, образуются группами специальных клеток, находящихся в различных органах. Пример APUD-система желудочно-кишечного тракта. Они транспортируются тканевой жидкостью на небольшие расстояния. Пример - гистамин.

4. Мембранные модуляторы. Действуют на уровне клеточных мембран (простагландины).

Особенности гуморальной регуляции

1. Низкая скорость регулирующего воздействия. Это связано с низкой скоростью протекания соответствующих жидкостей, например, кровь, проходит полный круг за 22 секунды.

2. Медленное нарастание силы гуморального сигнала и медленное его снижение. Это связано с постепенным увеличением концентрации физиологически активных веществ и медленным их разрушением.

3. Отсутствие органа-мишени для действия физиологически активных веществ, т.к. физиологически активные вещества действуют на многие органы и ткани, имеющие соответствующие рецепторы. Пример - тироксин.

Нервная регуляция функций

Животные имеют специальные органы движения и им требуется быстрое и точное согласование сокращения мышц. В результате у животных в процессе эволюции сформировалась нервная регуляция. Нервная регуляция функций - это регуляция деятельности тканей, органов, физиологических систем путем рефлексов. Рефлекс - это ответная реакция организма на изменения внешней или внутренней среды, осуществляемая при участии центральной нервной системы.

Впервые механическое объяснение реакций организма дал в XVII веке Рене Декарт. Он предложил гипотетическую схему формирования непроизвольного движения. Термин «рефлекс» ввел в физиологию в 1771 году Унцер, в Прохазка в 1800 году разработал схему простейшей рефлекторной дуги.

И. М. Сеченов распространил рефлекторный принцип действия нервной системы на любую, в том числе и высшую нервную деятельность организма. Он показал, что рефлекс отражает сложные, но материальные процессы, протекающие в центральной нервной системе во взаимодействии с внешней средой. И. М. Сеченовым предложены следующие положения:

1. Высшая деятельность организма в конечном итоге сводится к движению.

2. Всякое движение по своему происхождению есть рефлекс.

И. П. Павлов развил и экспериментально обосновал рефлекторную теорию. Он разделил все рефлексы по механизму образования на безусловные (врожденные) и условные (приобретенные).

Основные положения рефлекторной теории Павлов сформулировал в работе «Ответ физиолога психологам».

1. Принцип детерминизма, взаимообусловленности. Нет действия без причины, т.е. всякий рефлекторный акт является результатом действия раздражителя на организм.

2. Принцип анализа и синтеза. В центральной нервной системе постоянно происходит анализ сигналов, а так же синтез с формированием ответной реакции.

3. Принцип структурности. Любой процесс в нервной системе имеет определенную структурную организацию.

Морфологической основой любого рефлекса является рефлекторная дуга. Рефлекторная дуга - это путь прохождения рефлекторной реакции (нервных импульсов).

Рефлекторная дуга соматического (двигательного) рефлекса состоит из следующих звеньев:

1. Рецептор - воспринимает раздражение.

2. Афферентное нервное волокно.

3. Нервный центр.

4. Эфферентное нервное волокно.

5. Эфферентный или рабочий орган.

В ряде рефлекторных дуг имеется шестое звено - это нейрон обратной связи (обратная афферентация). Он реагирует на рефлекторный ответ и контролирует его. В соматической дуге выделяют нейроны, выполняющие определенные функции. В простейшей моносинаптической рефлекторной дуге 2 нейрона - чувствительный и двигательный. В простой полисинаптической дуге выделяют чувствительный нейрон, вставочный нейрон, исполнительный эфферентный нейрон

В дуге вегетативного рефлекса имеются следующие звенья:

1. Рецептор.

2. Афферентное нервное волокно.

3. Нервный центр - в больших рогах спинного мозга.

4. Преганглионарное нервное волокно.

5. Вегетативный ганглий.

6. Постганглионарное нервное волокно.

7. Исполнительный орган.

Нервные центры разных уровней центральной нервной системы связаны между собой.

Особенности нервной регуляции:

1. Большая скорость регулирующего воздействия, импульсы по рефлекторной дуге распространяются быстро.

2. Нервное волокно, идущее от нервного центра, заканчивается строго на определенном органе или эффекторе. Возможен быстрый самоконтроль и саморегуляция за счет нейронов обратной связи.

В организме нервная и гуморальная регуляции тесно связаны, образуют единую систему нейрогуморальной регуляции. Это обусловлено следующим:

1. Железы внутренней секреции имеют вегетативную регуляцию.

2. В гипоталамусе вырабатываются нейрогормоны, они регулируют деятельность гипофиза, поэтому в гипоталамо-гипофизарной системе происходит переключение нервных влияний на гуморальные.

3. Ряд гормонов желез внутренней секреции оказывают влияние на нервную систему - адреналин, норадреналин, тироксин.

4. Ряд местных гормонов - нейромедиаторы - играют роль передатчиков сигнала от одного нейрона к другому, изменяют протекание рефлексов.

Биологические и функциональные системы

Развитие физиологии в XIX-XX веках позволило осуществить глубинные механизмы, субмолекулярные процессы в организме. Было накоплено огромное количество аналитических данных о функциях клеток, тканей, органов и такой аналитический подход был оправдан и необходим.

Однако созрела необходимость объединить и систематизировать полученные данные для описания функций организма в целом. В 50-60 годы Берталанфи, используя кибернетический подход, разработал общую теорию биологических систем:

1. Принцип целостности. Невозможно свести свойства системы к простой сумме ее частей.

2. Принцип структурности. Любую биологическую систему можно описать через ее структуру.

3. Принцип иерархичности. Элементы системы подчинены друг другу сверху вниз, т.е. вышележащие компоненты управляют нижележащими.

4. Взаимосвязь системы со средой. Организм является открытой системой.

Берталанфи не выявил главного системообразующего фактора. Основные же системные закономерности живых организмов разработал П. К. Анохин.

В физиологии давно существует понятие физиологических систем - это комплекс морфологически и функционально объединенных органов, имеющих общие механизмы регуляции и выполняющих однообразные функции. Анохин установил, что в организме есть и другие системы, обеспечивающие поддержание параметров гомеостаза. Он назвал их функциональными системами.

Функциональная система - это совокупность органов и тканей, которые обеспечивают достижение цели в определенном виде жизнедеятельности. Эту цель он назвал полезно-приспособительным результатом. Им может быть тот или иной параметр гомеостаза, или результат поведения, удовлетворяющий биологической потребности, положительный результат социальной деятельности человека.

Полезно-приспособительный результат является тем фактором, который объединяет различные органы и ткани организма в единое целое - функциональную систему, причем, не по морфологическому признаку, а по функциональному. Поэтому в функциональную систему могут входить органы и ткани из разных функциональных систем. Функциональные системы могут быть как наследственными, так и формирующимися в процессе жизнедеятельности.

Если параметры полезно-приспособительного результата отклоняются от нормальных, возбуждаются рецепторы полезно-приспособительного результата. Импульсы от них по афферентным путям идут в нервный центр, регулирующий данный параметр. От нервного центра импульс поступает к исполнительным органам, обеспечивающим поддержание этого параметра, включается вегетативная и гуморальная регуляция. Если при этом полезно-приспособительный результат не приходит к норме, то импульсы от нервного центра поступают в кору больших полушарий. Возбуждаются определенные нейроны и включаются поведенческие регуляции. Изменяется целенаправленное поведение организма. В результате полезно-приспособительный результат приходит к исходному уровню. Кроме того, на полезно-приспособительный результат влияет обмен веществ, а с другой стороны и полезно-приспособительный результат воздействует на метаболические процессы.

Возрастные особенности формирования и регуляции физиологических функций.

В процессе развития организма происходят как количественные, так и качественные его изменения. В результате усложнения структуры появляются новые функции, например, мозг ребенка приобретает способность к абстрактному мышлению. В основе возрастных изменений лежат:

1. Гетерохронность или неравномерность созревания систем и органов.

2. Этапные возрастные скачки.

3. Акселерация, т.е. ускорение темпов биологического развития в определенные периоды.

Это обусловлено влиянием внешней среды, социальными факторами, урбанизацией жизни. На основе наблюдений за формированием функциональных систем в онтогенезе Анохин создал учение о системогенезе. Гетерохронность развития органов и систем хорошо видна на примере двигательного аппарата ребенка. Первоначально формируется рефлекс и двигательные единицы, обеспечивающие держание головы, затем обуславливающие способность сидеть, стоять, ходить.

Программа индивидуального развития выполняется за счет генетического аппарата. На определенных возрастных этапах происходит активация определенных генов, в результате включаются определенные функции организма и формируются новые функциональные системы. Это проявляется возрастным скачком или критическим периодом. Например, скачкообразное изменение структуры и функции органов, систем, которые наблюдаются в период полового созревания.

Акселерация - ускорение роста скелета, мышц, ускоренное половое созревание. Она связана с воздействием природной среды и социальных факторов на организм.

Формирование и развитие организма заканчивается к 20-ти годам. 20-55 (60) лет - зрелый возраст. В этот период функциональная активность органов и систем находится на одном уровне. С 65-70 лет - пожилой возраст - выраженные инволюционные перестройки: снижается основной обмен, нарушается метаболизм в клетках, что и определяет продолжительность жизни человека.

После 75 лет наступает старость, резко снижается активность процессов, появляются старческие болезни, например атеросклероз. Возраст более 90 лет называется периодом долгожительства.

Механизмы нейрогуморальной регуляции с возрастом изменяются. У новорожденных ограничено количество сложных безусловных рефлексов и нет условных. Нервная регуляция несовершенна, но клетки и органы высоко чувствительны к влиянию физиологически активных веществ. По мере роста совершенствуется рефлекторная деятельность центральной нервной системы. К первому году жизни формируются сложные рефлексы, обеспечивающие речь. Одновременно снижается чувствительность к физиологически активным веществам. У зрелого человека нейрогуморальная регуляция высоко организована. В старости отмечаются деструктивные изменения нервных окончаний, снижается количество рецепторов в клетках, снижается их восприимчивость к действию физиологически активных веществ.

В детском возрасте по В. Аршавскому выделяют следующие периоды:

1. Новорожденный - 7-8 дней.

2. Грудного вскармливания - 5-6 месяцев.

3. Смешанного питания - 6-12 месяцев.

4. Ясельного возраста - 1-3 года.

5. Дошкольного возраста - 3-7 лет.

6. Младшего школьного возраста - 7-12 лет.

7. Старшего школьного возраста - 12-17 лет.

8. Юношеского возраста - 17-20 лет.

Принцип саморегуляции организма. Понятие о гомеостазе, гомеокинезе

Основным свойством живых систем является способность к саморегуляции, к созданию оптимальных условий для взаимодействия всех элементов организма и обеспечения его целостности.

Основные принципы саморегуляции

1. Принцип неравновесности или градиента - это свойство живых систем поддерживать динамическое неравновесное состояние, асимметрию относительно окружающей среды. Например, температура тела теплокровных животных может быть выше или ниже температуры окружающей среды.

2. Принцип замкнутости контура регулирования. Каждый организм не просто отвечает на раздражение, а еще и оценивает соответствие ответной реакции действующему раздражителю. Чем сильнее раздражитель, тем больше ответная реакция. Принцип осуществляется за счет положительной и отрицательной обратной связи в нервной и гуморальной регуляции, т.е. контур регуляции замкнут в кольцо. Например, нейрон обратной афферентации в двигательных рефлекторных дугах.

3. Принцип прогнозирования. Биологические системы способны прогнозировать результат ответной реакции на основе прошлого опыта. Например, избегание уже знакомых болевых раздражителей.

4. Принцип целостности. Для нормального функционирования организма необходима его целостность.

Учение об относительном постоянстве внутренней среды организма было создано в 1878 году Клодом Бернаром. В 1929 году Кеннон показал, что способностью поддержанию гомеостаза организма является следствием работы его систем регулирования и предложил термин - гомеостаз.

Гомеостаз - постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости). Это устойчивость физиологических функций организма. Это основное свойство, отличающее живые организмы от неживого. Чем выше организация живого существа, тем более оно независимо от внешней среды. Внешняя среда - это комплекс факторов, определяющий экологический и социальный микроклимат, действующий на человека.

Гомеокинез - комплекс физиологических процессов, обеспечивающий поддержание гомеостаза. Он осуществляется всеми тканями, органами и системами организма, включая функциональные системы. Параметры гомеостаза являются динамическими и в нормальных пределах изменяются под влиянием факторов внешней среды. Пример: колебание содержания глюкозы в крови.

Живые системы не просто уравновешивают внешние воздействия, а активно противодействуют им. Нарушение гомеостаза приводит к гибели организма.

ФИЗИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА ВОЗБУДИМЫХ КЛЕТОК

Понятие о раздражимости, возбудимости и возбуждении. Классификация раздражителей

Раздражимость - это способность клеток, тканей, организма в целом переходить под воздействием факторов внешней или внутренней среды из состояния физиологического покоя в состояние активности. Состояние активности проявляется изменением физиологических параметров клетки, ткани, организма, например, изменение метаболизма.

Возбудимость - это способность живой ткани отвечать на раздражение активной специфичной реакцией - возбуждением, т.е. генерацией нервного импульса, сокращением, секрецией. Таким образом, возбудимость характеризует специализированные ткани - нервную, мышечные, железистые, которые называются возбудимыми.

Возбуждение - это комплекс процессов реагирования возбудимой ткани на действие раздражителя, проявляющийся изменением мембранного потенциала, метаболизма и т.д.

Возбудимые ткани обладают проводимостью. Это способность ткани проводить возбуждение. Наибольшей проводимостью обладают нервы и скелетные мышцы.

Раздражитель - это фактор внешней или внутренней среды действующей на живую ткань.

Процесс воздействия раздражителя на клетку, ткань, организм называется раздражением.

Все раздражители делятся на следующие группы:

1. По природе.

· Физические (электричество, свет, звук, механические воздействия и т.д.);

· Химические (кислоты, щелочи, гормоны и т.д.);

· Физико-химические (осмотическое давление, парциальное давление газов и т.д.);

· Биологические (пища для животного, особь другого пола);

· Социальные (слово для человека).

2. По месту воздействия.

· Внешние (экзогенные);

· Внутренние (эндогенные).

3. По силе:

· Подпороговые (не вызывающие ответной реакции).

· Пороговые (раздражители минимальной силы, при которой возникает возбуждение).

· Сверхпороговые (сила выше пороговой).

4. По физиологическому характеру:

· Адекватные (физиологичные для данной клетки или рецептора, которые, приспособились к нему в процессе эволюции, например, свет для фоторецепторов глаза).

· Неадекватные

Если реакция на раздражитель является рефлекторной, то выделяют также:

· Безусловно-рефлекторные раздражители

· Условно-рефлекторные.

Законы раздражения. Параметры возбудимости.

Реакция клеток и тканей на раздражитель определяется законами раздражения:

1. Закон «все или ничего»: При допороговых раздражениях клетки ответной реакции не возникает, при пороговой силе раздражителя развивается максимальная ответная реакция, поэтому увеличение силы раздражения выше пороговой не сопровождается ее усилением. В соответствии с этим законом реагирует на раздражение одиночное нервное и мышечное волокна, сердечная мышца.

2. Закон силы: Чем больше сила раздражителя, тем сильнее ответная реакция. Однако выраженность ответной реакции растет лишь до определенного максимума. Закону силы подчиняется целостная скелетная и гладкая мышцы, так как они состоят из многочисленных мышечных клеток, имеющих различную возбудимость.

3. Закон силы длительности: Чем сильнее раздражитель, тем меньше время требуется для возникновения ответной реакции. Зависимость между пороговой силой и необходимой длительностью раздражения отражается кривой силы-длительности (график 1). По этой кривой можно определить ряд параметров возбудимости.

· Порог раздражения - это минимальная сила раздражителя, при которой возникает возбуждение.

· Реобаза - это минимальная сила раздражителя, вызывающая возбуждение при его действии в течении неограниченно долгого времени. На практике порог и реобаза имеют одинаковый смысл. Чем ниже порог раздражения или меньше реобаза, тем выше возбудимость тканей.

· Полезное время - это минимальное время действия раздражителя силой в одну реобазу, за которое возникает возбуждение.

· Хронаксия - это минимальное время действия раздражителя силой в две реобазы, необходимое для возникновения возбуждения. Этот параметр предложил рассчитывать Л. Лапник, для более точного определения показателя времени на кривой силы-длительности. Чем короче полезное время или хронаксия, тем выше возбудимость, и наоборот.

В клинической практике реобазу и хронаксию определяют с помощью метода хронаксиметрии для исследования возбудимости нервных стволов.

4. Закон градиента (аккомодации): Реакция ткани на раздражение зависит от его градиента, т.е. чем быстрее нарастает сила раздражения во времени, тем быстрее возникает ответная реакция. При низкой скорости нарастания силы раздражителя растет порог раздражения. Поэтому, если сила раздражителя возрастает очень медленно, возбуждения не будет. Это явление называется аккомодацией.

· Физиологическая лабильность (подвижность) - это большая или меньшая частота реакций, которыми может отвечать ткань на ритмическое раздражение. Чем быстрее восстанавливается ее возбудимость после очередного раздражения, тем выше ее лабильность. Определение лабильности предложено Н.Е. Введенским. Наибольшая лабильность у нервов, наименьшая - у сердечной мышцы.

Действие постоянного тока на возбудимые ткани

Впервые закономерности действия постоянного тока на нерв нервно-мышечного препарата исследовал в XIX веке Флюгер. Он установил, что при замыкании цепи постоянного тока, под отрицательным электродом, т.е. под катодом возбудимость повышается, а под положительным анодом - снижается. Это называется законом действия постоянного тока. Изменение возбудимости ткани (например, нерва) под действием постоянного тока в области анода или катода называется физиологическим электротоном. В настоящее время установлено, что под действием катода потенциал мембраны клеток снижается. Это явление называется физическим катэлектротоном. Под анодом он возрастает. Возникает физический электротон. Так как, под катодом мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации, возбудимость клеток и тканей повышается. Под анодом мембранный потенциал возрастает и удаляется от критического уровня деполяризации, поэтому возбудимость у клетки, ткани падает. Следует отметить, что при очень кратковременном действии постоянного тока (1 мс и менее) мембранный потенциал не успевает измениться, поэтому не изменяется и возбудимость ткани под электродом.

Постоянный ток широко используется в клинике для лечения и диагностики. Например, с помощью него производится электростимуляция нервов и мышц, физиопроцедуры: инофорез и гальванизация.

Строение и функции цитоплазматической мембраны клеток.

Цитоплазматическая клеточная мембрана состоит из трех слоев:

· Наружного - белкового;

· Среднего - бимолекулярного слоя липидов;

· Внутреннего - белкового.

Толщина мембраны 7,5-10 нм. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Липидные молекулы его обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в них. От 60 до 75% липидов мембраны составляют фосфолипиды, 15-30% холестерин. Белки представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки, пронизывающие всю мембрану, и периферические, находящиеся на наружной или внутренней поверхности.

Интегральные белки образуют ионные каналы, обеспечивающие обмен определенных ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью. Они также являются ферментами, осуществляющими противоградиентный перенос ионов через мембрану.

Периферическими белками являются хеморецепторы наружной поверхности мембраны, которые могут взаимодействовать с различными физиологически активными веществами.

Функции мембран:

1. Обеспечивает целостность клетки как структурной единицы ткани.

2. Осуществляет обмен ионов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

3. Обеспечивает активный транспорт ионов и других веществ в клетку и из нее.

4. Производит восприятие и переработку информации, поступающей к клетке в виде химических и электрических сигналов.

Механизмы возбудимости клеток. История исследования биоэлектрических явлений

В основном передаваемая в организме информация имеет вид электрических сигналов (например, нервные импульсы). Впервые наличие животного электричества установил естествоиспытатель (физиолог) Л. Гальвани в 1786г. С целью исследования атмосферного электричества он подвешивал нервно-мышечные препараты лапок лягушек на медном крючке. Когда эти лапки касались железных перил балкона, происходило сокращение мышц. Это свидетельствовало о действии какого-то электричества на нерв нервно-мышечного препарата. Гальвани посчитал, что это обусловлено наличием электричества в самих живых тканях. Однако, А. Вольта установил, что источником электричества является место контакта двух разнородных металлов - меди и железа. В физиологии первым классическим опытом Гальвани считается прикосновение к нерву нервно-мышечного препарата биметаллическим пинцетом, сделанным из меди и железа. Чтобы доказать свою правоту, Гальвани произвел второй опыт. Он набрасывал конец нерва, иннервирующего нервно-мышечный препарат, на разрез его мышцы. В результате возникало ее сокращение. Однако и этот опыт не убедил современников Гальвани. Поэтому другой итальянец Маттеучи произвел следующий эксперимент. Он накладывал нерв одного нервно-мышечного препарата лягушки на мышцу второго, которая сокращалась под действием раздражающего тока. В результате первый препарат тоже начинал сокращаться. Это свидетельствовало о передаче электричества (потенциал действия) от одной мышцы к другой. Наличие разности потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками мышцы впервые точно установил в XIX веке с помощью струнного гальванометра (амперметра) Маттеучи. Причем разрез имел отрицательный заряд, а поверхность мышцы - положительный.

Классификация и структура ионных каналов цитомембраны. Механизмы возникновения мембранного потенциала и потенциала действия.

Первый шаг в изучении причин возбудимости клеток сделал в своей работе «Теория мембранного равновесия» в 1924г. английский физик (физиолог) Донанн. Он теоретически установил, что разность потенциалов внутри клетки и вне ее, т.е. потенциал покоя или мембранный потенциал, близка к калиевому равновесному потенциалу. Это потенциал, образующийся на полупроницаемой мембране, разделяющей растворы с разной концентрацией ионов калия, один из которых содержит крупные анионы, не проникающие через мембрану. Его расчеты уточнил Нернст. Он вывел уравнение диффузионного потенциала, для калия он будет равен:

Ек = 58 lg ([K+]out / [K+]ln) = -75 мВ (такова теоретически рассчитанная величина мембранного потенциала).

Экспериментально механизмы возникновения разности потенциалов между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой, а также возбуждения клеток установили в 1939 году в Кембридже Ходжкин и Хаксли. Они исследовали гигантское нервное волокно (аксон) кальмара и обнаружили, что внутриклеточная жидкость нейрона содержит 400 мМ калия, 50 мМ натрия, 100 мМ хлора и очень мало кальция. Во внеклеточной жидкости содержалось всего 10 мМ калия, 440 мм натрия, 560 мМ хлора и 10 мМ кальция. Таким образом, внутри клеток имеется избыток калия, а вне их натрия и кальция. Это обусловлено тем, что в клеточную мембрану встроены ионные каналы, регулирующие проницаемость мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора.

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы:

1. По избирательности:

· Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов.

· Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране большое количество.

2. По характеру пропускаемых ионов:

· Калиевые.

· Натриевые.

· Кальциевые.

· Хлорные.

3. По скорости инактивации, т.е. закрывания:

· Быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение мембранного потенциала и такое же быстрое восстановление.

· Медленноинактивирующиеся. Их открытие вызывает медленное снижение мембранного потенциала и медленное его восстановление.

4. По механизмам открытия:

· Потенциалзависимые, т.е. те, которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

· Хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т.д.).

В настоящее время установлено, что ионные каналы имеют следующее строение:

1. Селективный фильтр, расположенный в устье канала. Он обеспечивает прохождение через канал строго определенных ионов.

2. Активационные ворота, которые открываются при определенном уровне мембранного потенциала или действия соответствующего ФАВ. Активационные ворота потенциалзависимых каналов имеют сенсор, который открывает их при определенном уровне мембранного потенциала.

3. Инактивационные ворота, обеспечивающие закрывание канала и прекращение проведения ионов по каналу на определенном уровне мембранного потенциала.

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением активационных (m) и инактивационных (n) ворот:

1. Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивационные открыты.

2. Активизированном, и те и другие ворота открыты.

3. Инактивизированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты.

Суммарная проводимость для того или иного иона определяется числом одновременно открытых соответствующих каналов. В состоянии покоя открыты только калиевые каналы, обеспечивающие поддержание определенного мембранного потенциала и закрыты натриевые. Поэтому мембрана избирательно проницаема для калия и очень мало для ионов натрия и кальция, за счет имеющихся неспецифических каналов. Соотношение проницаемости мембраны для калия и натрия в состоянии покоя составляет 1,0,04. Ионы калия поступают в цитоплазму и накапливаются в ней. Когда их количество достигает определенного предела, они по градиенту концентрации начинают выходить через открытые калиевые каналы из клеток. Однако уйти от наружной поверхности клеточной мембраны они не могут. Там их удерживает электрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Это сульфат, фосфат и нитрат анионы, анионные группы аминокислот, для которых мембрана не проницаема. Поэтому на наружной поверхности мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней - отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная разность потенциалов. Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший потенциал с положительным зарядом снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. То есть накопившиеся на наружной стороне мембраны ионы калия не будут отталкивать внутрь такие же ионы. Возникает определенный потенциал мембраны, уровень которого определяется проводимостью мембраны для ионов калия и натрия в состоянии покоя. В среднем, величина потенциала покоя близка к калиевому равновесному потенциалу Нернста. Например, мембранный потенциал нервных клеток составляет 55-70 мВ, поперечно-полосатых 90-100 мВ, гладких мышц 40-60 мВ, железистых клеток 20-45 мВ. Меньшая реальная величина мембранного потенциала клеток объясняется тем, что его величина уменьшает ионы натрия, для которых мембрана незначительно проницаема, и они могут входить в цитоплазму. С другой стороны, отрицательные ионы хлора, поступающие в клетку, несколько увеличивают мембранный потенциал.

Так как мембрана в состоянии покоя незначительно проницаема для ионов натрия, необходим механизм введения этих ионов в клетки. Это связано с тем, что постепенное накопление ионов натрия в клетке привело бы к нейтрализации мембранного потенциала и исчезновению возбудимости. Этот механизм называется натрий-калиевым насосом. Он обеспечивает поддержание разности концентраций калия и натрия по обе стороны мембраны.

Натрий-калиевый насос - это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет АТФ и использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в нее. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой АТФ-азы выводит 3 иона натрия и вносит 2 иона калия. Так как в клетку поступает меньше положительно заряженных ионов, чем выводится из нее, натрий-калиевая АТФ-аза на 5-10 мВ увеличивает мембранный потенциал. Блокаторы натрий-каоиевого насоса - яд нитрофенол (приводит к смерти), и перстянка (приводит к нарушения работы мышц сердца).

В мембране имеются следующие механизмы трансмембранного транспорта ионов и других веществ:

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

2. Пассивный транспорт. Передвижение ионов осуществляется по градиенту концентрации без затрат энергии. Например, вход калия в клетку и выход из нее по калиевому насосу.

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

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

Механизм генерации потенциала действия

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

На кривой потенциала выделяют следующие фазы:

1. Локальный ответ (местная деполяризация), предшествующий развитию потенциала действия.

2. Фаза деполяризации. Во время этой фазы мембранный потенциал быстро уменьшается и достигает нулевого уровня. Уровень деполяризации растет выше нуля, поэтому мембрана приобретает противоположный заряд - внутри она становится положительной, а снаружи - отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала. Продолжительность этой фазы у нервных и мышечных клеток 1-2 мс.

3. Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня мембранного потенциала (примерно +20 мВ). Мембранный потенциал начинает быстро возвращаться к потенциалу покоя. Длительность фазы 3-5 мс.

4. Фаза следовой деполяризации или следового отрицательного потенциала. Период, когда возвращение мембранного потенциала к потенциалу покоя временно задерживается. Он длится 15-30 мс.

5. Фаза следовой гиперполяризации или следового положительного потенциала. В эту фазу мембранный потенциал на некоторое время становится выше исходного уровня потенциала покоя. Ее длительность 250-300 мс.

Амплитуда потенциала действия скелетных мышц в среднем 120-130 мВ, нейронов 80-90 мВ, гладкомышечных клеток 40-50 мВ. При возбуждении нейронов потенциал действия возникает в начальном сегменте аксона и называется аксоном холмика.

Возникновение потенциала действия обусловлено изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период локального ответа открываются медленные натриевые каналы, а быстрые остаются закрытыми, возникает временная самопроизвольная деполяризация. Когда мембранный потенциал достигает критического уровня, закрытые активационные ворота натриевых каналов открываются, и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, вызывая нарастающую деполяризацию. В эту фазу открываются и быстрые и медленные натриевые каналы, т.е. натриевая проницаемость мембраны резко возрастает. Причем от чувствительности активационных ворот зависит величина критического уровня деполяризации (чем она выше, тем ниже критический уровень деполяризации, и наоборот).

Когда величина деполяризации приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия +20 мВ, сила концентрационного градиента натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации быстрых натриевых каналов и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия, т.е. калиевый выходящий ток. В некоторых клетках это происходит из-за активации специальных каналов калиевого выходящего тока. Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смещения мембранного потенциала к уровню потенциала покоя, т.е. начинается фаза реполяризации. Возрастание мембранного потенциала приводит к закрыванию и активационных ворот натриевых каналов, что еще больше снижает натриевую проницаемость мембраны и ускоряет реполяризацию. Возникновение фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных натриевых каналов остается открытой.

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

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

Также следует отметить, что чем выше скорость распространения потенциала действия по мембране клетки или ткани, тем выше ее проводимость.

Соотношение фаз потенциала действия и возбудимости

Уровень возбудимости клетки зависит от фазы потенциала действия. В фазу локального ответа возбудимость возрастает. Эту фазу возбудимости называют латентным дополнением. В фазу реполяризации потенциала действия, когда открываются все натриевые каналы и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, никакой, даже сверхсильный, раздражитель не может стимулировать этот процесс. Поэтому фазе деполяризации соответствует фаза полной невозбудимости или абсолютной рефрактерности, т.е. в фазу реполяризации все большая часть натриевых каналов закрывается. Однако они могут вновь открываться при действии сверхпорогового раздражителя, т.е. возбудимость начинает вновь повышаться. Этому соответствует фаза относительной невозбудимости или относительной рефрактерности.

Во время следовой деполяризации мембранный потенциал находится у критического уровня, поэтому даже допороговые стимулы могут вызвать возбуждение клетки. Следовательно, в этот момент ее возбудимость повышена. Эта фаза называется фазой экзальтации или супернормальной возбудимостью.

В момент следовой гиперполяризации мембранный потенциал выше исходного уровня, т.е. дальше критического уровня деполяризации и ее возбудимость снижена. Она находится в фазе субнормальной возбудимости.

Следует отметить, что явление аккомодации также связано с изменением проводимости ионных каналов. Если деполяризующий ток нарастает медленно, то это приводит к частичной инактивации натриевых и активации калиевых каналов. Поэтому развитие потенциала действия не происходит.

ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

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

Ультраструктура скелетного мышечного волокна

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

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

Механизмы мышечного сокращения

При световой микроскопии было замечено, что в момент сокращения ширина А диска не уменьшается, а I-диски и Н-зоны саркомеров суживаются. При электронной микроскопии было установлено, что длина нитей актина и миозина в момент сокращения не изменяется. Поэтому Хаксли и Хэнсон разработали теорию скольжения нитей. Согласно этой теории мышца укорачивается в результате движения тонких актиновых нитей в промежутки между миозиновыми. Это приводит к укорочению каждого саркомера, образующего миофибриллы. Скольжение же нитей обусловлено тем, что при переходе в актиновое состояние головки отростков миозина связываются с центрами актиновых нитей и вызывают их движение относительно себя (гребковые движения). Но это последний этап всего сократительного механизма.