Раздражением обозначается процесс воздействия на живую ткань агентов внешней среды — изменение среды существования.
Раздражитель — это причина, способная вызвать возбуждение, т. е. действуя на ткани, органы организма или на организм в целом, вызывает активную реакцию живого образования. Раздражители могут быть подразделены на химические, механические, температурные, лучистые, электрические и др.
Возбудимые ткани и их общие свойства
Возбудимые ткани - это нервная, мышечная и железистая структуры, которые способны спонтанно или в ответ на действие раздражителя возбуждаться. Возбуждение - это генерация потенциала действия (ПД) + распространение ПД + специфический ответ ткани на этот потенциал, например, сокращение, выделение секрета, выделение кванта медиатора.
Свойства возбудимых тканей и показатели, их характеризующие:
Свойства
1. Возбудимость - способность возбуждаться
2. Проводимость - способность проводить возбуждение, т.е. проводить ПД
3. Сократимость - способность развивать силу или напряжение при возбуждении
4. Лабильность - или функциональная подвижность - способность к ритмической активности
5. Способность выделять секрет (секреторная активность), медиатор
Показатели
Скорость проведения потенциала действия, например, у нерва она может достигать 120 м/с (около 600 км/час).
Максимальная величина силы (напряжения), развиваемая при возбуждении.
Максимальное число возбуждений в единицу времени, например, нерв способен в 1с генерировать 1000 потенциала действия.
Электрические явления в возбудимых тканях
Классификация:
Биопотенциалы - общее название всех видов электрических процессов в живых системах.
Потенциал повреждения - исторически первое понятие об электрической активности живого (демаркационный потенциал). Это разность потенциалов между неповрежденной и поврежденной поверхностями живых возбудимых тканей (мышцы, нервы).
Мембранный потенциал (МП) - это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клетки (мышечного волокна) в покое. Обычно МП, или потенциал покоя, составляет 50-80 мВ, со знаком «-» внутри клетки. При возбуждении клетки регистрируется потенциал действия (его фазы: пик, следовая негативность, следовая позитивность) - быстрое изменение мембранного потенциала во время возбуждения.
Внеклеточно-регистрируемый потенциал действия, внутриклеточно-регистрируемый потенциал действия - это варианты потенциалов действия, форма которых зависит от способа отведения.
Рецепторный (генераторный) потенциал - изменение МП рецепторных клеток во время их возбуждения.
Постсинаптические потенциалы (варианты: возбуждающий постсинаптический потенциал - ВПСП, тормозной постсинаптический потенциал - ТПСП, частный случай возбуждающего постсинаптического потенциала - ПКП - потенциал концевой пластинки).
Вызванный потенциал - это потенциал действия нейрона, возникающий в ответ на возбуждение рецептора, несущего информацию к этому нейрону.
История исследования физиологии возбуждения
Л. Гальвани был первым, кто убедился в существовании «живого электричества». Его первый (балконный) опыт состоял в том, что препарат задних лапок лягушек на медном крючке был подвешен к железному балкону. От ветра он задевал балконные перила, и это вызывало сокращение мышц. По Гальвани, это было результатом замыкания цепи тока, в результате чего «живое электричество» вызывало сокращение. Вольта (итальянский физик) опроверг такое объяснение. Он полагал, что сокращение обусловлено наличием «гальванической пары» - железо-медь. В ответ Гальвани поставил второй опыт (опыт без металла), который доказывал идею автора: набрасывался нерв между поврежденной и неповрежденной поверхностями мышцы и в ответ - сокращение интактной мышцы.
Мембранный потенциал и его происхождение
МП, или потенциал покоя, - это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями мембраны в условиях покоя. В среднем у клеток возбудимых тканей он достигает 50-80 мВ, со знаком «-» внутри клетки. Обусловлен преимущественно ионами калия. Как известно, в клетках возбудимых тканей концентрация ионов калия достигает 150 ммоль/л, в среде - 4-5 ммоль (ионов калия намного больше в клетке, чем в среде). Поэтому по градиенту концентрации калий может выходить из клетки, и это происходит с участием калиевых каналов, часть которых открыта в условиях покоя. В результате из-за того, что мембрана непроницаема для анионов клетки (глутамат, аспартат, органические фосфаты), на внутренней поверхности клетки образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной - избыток положительно заряженных частиц. Возникает разность потенциалов. Чем выше концентрация калия в среде - тем меньше это отношение, тем меньше величина мембранного потенциала. Однако расчетная величина, как правило, ниже реальной. Например, по расчетам МП должен быть -90 мВ, а реально -70 мВ. Это расхождение обусловлено тем, что ионы натрия и хлора тоже вносят свой вклад в создание МП. В частности, известно, что натрия больше в среде (140 ммоль/л против 14 ммоль/л внутриклеточной). Поэтому натрий может войти в клетку. Но большая часть натриевых каналов в условиях покоя закрыта. Поэтому в клетку входит лишь небольшая часть ионов натрия. Но и этого достаточно, чтобы хотя бы частично компенсировать избыток анионов. Ионы хлора, наоборот, входят в клетку (частично) и вносят отрицательные заряды. В итоге величина мембранного потенциала определяется в основном калием, а также натрием и хлором.
Для того чтобы МП поддерживался на постоянном уровне, необходимо поддержание ионного гетсрогенитета - ионной асимметрии. Для этого, в частности, служит калий-натриевый насос (и хлорный), который восстанавливает ионную асимметрию, особенно после акта возбуждения. Доказательством калиевой природы МП является наличие зависимости: чем выше концентрация калия в среде, тем меньше величина МП. Для дальнейшего изложения важно понятие: деполяризация (уменьшение МП, например, от минус 90 мВ до минус 70 мВ) и гиперполяризация - противоположное явление.
Потенциал действия - это кратковременное изменение разности потенциала между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), возникающее в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия с помощью микроэлектродной техники наблюдается типичный пикообразный потенциал. В нем выделяют следующие фазы или компоненты:
1. Локальный ответ - начальный этап деполяризации.
2. Фазу деполяризации - быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны (реверсия, или овершут).
3. Фазу реполяризании - восстановление исходного уровня мембранного потенциала;
в ней выделяют фазу быстрой реноляризации и фазу медленной реполяризации, в свою очередь, фаза медленной реполяризации представлена следовыми процессами (потенциалами):
следовая негативность (следовая деполяризация) и следовая позитивность (следовая гиперполяризация). Амплитудно-временные характеристики потенциала действия нерва, скелетной мышцы таковы: амплитуда потенциала действия 140-150 мВ; длительность пика потенциала действия (фаза деполяризации + фаза реполяризации) составляет 1-2 мс, длительность следовых потенциалов - 10-50 мс.
Форма потенциала действия (при внутриклеточном отведении) зависит от вида возбудимой ткани: у аксона нейрона, скелетной мышцы - пикообразные потенциалы, у гладких мышц в одних случаях пикообразные, в других - платообразные (например, потенциал действия гладких мышц матки беременной женщины - платообразный, а длительность его составляет почти 1 минуту). У сердечной мышцы потенциал действия имеет платообразную форму.
Природа потенциала действия
При исследовании ПД аксонов и сомы нервной клетки, ПД скелетной мышцы было установлено, что фаза деполяризации обусловлена значительным повышением проницаемости для ионов натрия, которые входят в клетку в начале процесса возбуждения и таким образом уменьшают существующую разность потенциала (деполяризация). При этом чем выше степень деполяризации, тем выше становится проницаемость натриевых каналов, тем больше входит ионов натрия в клетку и тем выше степень деполяризации. В этот период происходит не только снижение разности потенциалов до нуля, но и изменение поляризованности мембраны - на высоте пика ПД внутренняя поверхность мембраны заряжена положительно по отношению к наружной (явление реверсии, или овершута). Однако бесконечно этот процесс идти не может: в результате закрытия инактивационных ворот натриевые каналы закрываются, и приток натрия в клетку прекращается. Затем наступает фаза реполяризации. Она связана с увеличением выхода из клетки ионов калия. Это происходит за счет того, что в результате деполяризации большая часть калиевых каналов, которые в условиях покоя были закрыты, открываются и «+» заряды уходят за пределы клетки. Вначале этот процесс идет очень быстро, потом - медленно, поэтому фаза реполяризации вначале протекает быстро (нисходящая часть пика ПД), а потом медленно (следовая негативность). Этот же процесс лежит в основе фазы следовой гиперполяризации. На фоне следовых потенциалов происходит активация калий-натриевого насоса. Если он работает в электронейтральном режиме (2 иона натрия выносятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия), то на форме ПД этот процесс не отражается. Если же насос работает в электрогенном режиме, когда 3 иона натрия выносятся из клетки в обмен на 2 вносимых в клетку иона калия, то в результате на каждый такт работы насоса в клетку вносится на 1 катион меньше, чем выносится, поэтому в клетке постепенно возрастает избыток анионов, т. с. в таком режиме насос способствует появлению дополнительной разности потенциалов. Это явление может лежать в основе фазы следовой гиперполяризации.
В сердечной мышце природа ПД иная: процесс деполяризации обусловлен ионами натрия и кальция - эти ионы входят внутрь клетки в начале фазы деполяризации.
В гладких мышцах сосудов, желудка, кишечника, матки и других образований генерация ПД связана с тем, что в момент возбуждения в клетку входят главным образом не ионы натрия, а ионы кальция.
Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя
Все клетки живого организма поляризованы. Между внутренней и внешней средой клетки существует разность потенциалов-мембранный потенциал. Потенциал покоя, внутри -, снаружи +. Это заряд клетки в состоянии покоя. Мембранно-ионная теория происхождения потенциала покоя говорит о том, что п.п возникает в следствии неравномерного распределения ионов внутри клетки по отношению к внешней среде, а так же селективных свойств мембраны.
Потенциал покоя определяется:
1)создается неравномерным распределением ионов калия, натрия, хлора и кальция, внутри клетки по отношению к внешней среде
2)создается разный проницаемостью мембраны для этих ионов
3)постоянство потенциала покоя связано с работой ионных насосов
Потенциал действия или импульсное возбуждение возникает в ответ на пороговые или сверх пороговый раздражители, представляет собой быстрые изменения мембранного потенциала, которые возникают в месте раздражения и распространяются на всю мембрану клетки. При возникновении возбуждения происходит изменение(увеличение) проницаемости клеточной мембраны, при действии раздражителя, это приводит к открытию ионных каналов и входу натрия внутрь клетки.
Потенциал действия характеризует работу и активность клетки,
П.п характеризует функциональный покой клетки или отсутсвие работы
Распространение возбуждения по нервному волокну
Законы раздражения
-закон силы, длительности действия раздражителя(с увеличением силы действия раздражителя, время его действия необходимое для его действия уменьшается)
Анионы(-) и катионы(+)
