ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ

Медицинская физиология Медицинская физиология изучает функции организма человека во взаимодействии с окружающей средой. Все системы организма взаимосвязаны, а их функции дополняют друг друга.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Биологическая мембрана, Толщина мембран 7-10 нм, состоит из двойного слоя фосфолипидов: гидрофильные части (головки) направлены к поверхности мембраны; гидрофобные части (хвосты) направлены внутрь мембраны. Гидрофобные концы стабилизируют мембрану в виде бислоя

Липиды мембраны Фосфоглицериды – каркас мембраны Холестерин Гликолипиды: входят в состав ионных каналов являются рецепторами обуславливают иммунологические свойства клеток участвуют во взаимодействии клеток

Белки мембран

Интегральныемембранные белки Интегральные мембранные белки встроены в липидный бислой - глобулярные. Это белки адгезии, некоторые рецепторные белки

Трансмембранный белок молекула белка, проходящая через всю толщу мембраны и выступающая из неё как на наружной, так и на внутренней поверхности. Это - поры, ионные каналы, переносчики, насосы, некоторые рецепторные белки.

Периферические мембранные белки находятся на одной из поверхностей клеточной мембраны (наружной или внутренней) и нековалентно связаны с интегральными мембранными белками - рецепторы. фибриллярные и глобулярные

ФУНКЦИИ МЕМБРАН СТРУКТУРНАЯСТРУКТУРНАЯ. ЗАЩИТНАЯ.ЗАЩИТНАЯ. ФЕРМЕНТАТИВНАЯФЕРМЕНТАТИВНАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ИЛИ АДГЕЗИВНАЯ ( обуславливает существование многоклеточных организмов). РЕЦЕПТОРНАЯРЕЦЕПТОРНАЯ. АНТИГЕННАЯАНТИГЕННАЯ. ЭЛЕКТРОГЕННАЯЭЛЕКТРОГЕННАЯ ТРАНСПОРТНАЯТРАНСПОРТНАЯ.

СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд КЛЕТКА сигнальная молекула (первый посредник) или лиганд молекула мембраны (канал или рецептор) молекула мембраны (канал или рецептор) КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки КЛЕКТИ-МИШЕНИ молекулы клетки или вторые посредники каскад ферментативных реакций изменение функции клетки

ЛИГАНДЫ пептидные гормоны производные аминокислот нейромедиаторы цитокины

РЕЦЕПТОРЫ МЕМБРАН Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Это молекулы (белки, глико- или липопротеины), чувствительные к биологически активным веществам – лигандам Лиганды – внешние раздражители для клетки Лиганды – внешние раздражители для клетки Рецепторы – высокоспецифичны или селективны Рецепторы – высокоспецифичны или селективны

Виды клеточных рецепторов мембранные - встроенные в плазматическую мембрану внутриклеточные цитозольные и ядерные некоторые рецепторы встроены в мембраны внутриклеточных органоидов

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ РЕЦЕПТОРОВ Мембранные рецепторы регистрируют наличие лиганда : передают сигнал внутриклеточным химическим соединениям вторым посредникам – МЕССЕНДЖЕРАМ 2. 2.Регулируют состояние ионных каналов

вторичные посредники Это внутриклеточные сигнальные молекулы - передают сигнал от мембранных рецепторов на эффекторы (исполнительные молекулы) – обусловливают ответ клетки на сигнал.

Внутриклеточные посредники циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ) инозитолтрифосфат, диацилглицерол Ca 2+ - кальмодулин продукты окисления арахидоновой кислоты.

Циклические нуклеотиды Циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ) адреналин β - адренорецепторактиватор (Gs ) аденилатциклазы Активная аденилатциклаза АТФ цАМФ ПРОТЕИНКИНАЗА каскад ферментативных реакций Изменение функции клетки

ИОННЫЕ КАНАЛЫ белковые макромолекулы, погруженные в липидный бислой плазматической мембраны (трансмембранные белки), образующие заполненные водой поры, через которые проникают неорганические ионы.

СВОЙСТВА ИОННЫХ КАНАЛОВ 1.Селективность - 1.Селективность - каждый канал пропускает только определенный («свой») ион Может находится в разных функциональных состояниях: закрытый, но готовый к открытию (1) открытый – активированный (2) Инактивированный (3)

h h h m m m 12 3 Количество открытых каналов регулирует Проницаемость мембраны

СВОЙСТВА ИОННЫХ КАНАЛОВ 3. По механизму управления проницаемостью каналы делятся: Потенциалзависимые – ворота управляются зарядом мембраны Хемозависимые – ворота управляются комплексом лиганд-рецептор

Работа ворот потенциалзависимого Na+–канала. h – внутринние инактиваци- онные ворота m – наружные активационные ворота

Возбудимые ткани Нервная, мышечная, эндокринная

ВОЗБУДИМОСТЬ Это способность ткани отвечать на раздражение возбуждением (генерацией потенциала действия – ПД) Это способность ткани отвечать на раздражение возбуждением (генерацией потенциала действия – ПД)

ВОЗБУЖДЕНИЕ Это процесс генерации (возникновения ПД) в ответ на раздражение Это процесс генерации (возникновения ПД) в ответ на раздражение

поляризация Наличие разных зарядов по обе стороны мембраны: Снаружи + Снаружи + Внутри – Внутри – Клетка представляет собой «диполь»

гиперполяризация Увеличение разности ПД между сторонами мембраны Увеличение разности ПД между сторонами мембраныДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраны Уменьшение разности потенциалов между сторонами мембраныРЕПОЛЯРИЗАЦИЯ Увеличение величины МП после деполяризации.

МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ Это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны возбудимой клетки, находящейся в состоянии покоя. Потенциал покоя регистрируется внутриклеточным микроэлектродом по отношению к референтному внеклеточному электроду.

Регистрация мембранного потенциала МкЭ – микроэлектр од РЭ – референтный электрод

Величина МП плазмолеммы нервных клеток и кардиомиоцитов варьирует от –60 мВ до –90 мВ плазмолеммы скелетного МВ –90 мВ ГМК около –55 мВ

Градиент Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения. Это вектор, показывающий разницу между наибольшим и наименьшим значением какой-либо величины в разных точках пространства, а также указывающий на степень этого изменения.

ФАКТОРЫ, ФОРМИРУЮЩИЕ МП 1. ИОННАЯ АСИМЕТРИЯ Концентрационный градиент калия Концентрационный градиент калия [K in ] [K ex ] Концентрационный градиент натрия Концентрационный градиент натрия [Na ex ] [Na in ] = p = 8-10p

2.Полупроницаемость мембраны K + Na + Cl - Белок

«Электрический градиент» Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Это сила, создаваемая электрическим полем трансмембранной разности потенциалов Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. Выход калия наружу уменьшает концентрационный градиент, а электри- ческий – увеличивает. В результате величина градиентов выравнивается В результате величина градиентов выравнивается

«Электрический градиент» Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент Трансмембранная разность потенциалов создает электрическое поле, а следовательно и электрический градиент По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. По мере выхода калия наружу концентрационный градиент уменьшается, а электрический – растет. В результате наступает выравнивание двух градиентов В результате наступает выравнивание двух градиентов

Равновесный потенциал равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. равновесное состояние - это такая величина электрического заряда мембраны, которая полностью уравновешивает концентрационный градиент для определенного иона и суммарный ток этого иона будет равен 0. Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ) Равновесный потенциал для калия = -86 мВ (Ек+ = -86 мВ)

Состояние покоя для клетки Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Мембрана немного проницаема для натрия, что уменьшает разность зарядов и величину электрического градиента Калий выходит из клетки Калий выходит из клетки

Механизмы поддержания ионной асимметрии Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Электрический заряд на мембране – способствует входу калия в клетку и тормозит его выход Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента Калий-натриевый насос – активный транспорт, который переносит через мембрану ионы против концентрационного градиента

НАТРИЙ – КАЛИЕВЫЙ НАСОС активный транспорт активный транспорт ионов натрия и калия против концентрационного градиента с затратой энергии АТФ. 3Na + 2K + АТФ

ФУНКЦИИ КАЛИЙ- НАТРИЕВОГО НАСОСА Активный транспорт ионов Активный транспорт ионов АТФ-азная ферментативная активность АТФ-азная ферментативная активность Поддержание ионной асимметрии Поддержание ионной асимметрии Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект Усиление поляризации мембраны – электрогенный эффект

деполяризация Возникает при открытии натриевых каналов Возникает при открытии натриевых каналов Натрий входит в клетку: Натрий входит в клетку: уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны уменьшает электрическое поле вокруг мембраны Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия Степень деполяризации зависит от количества открытых каналов для натрия

КРИТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ДЕПОЛЯРИЗАЦИИИ Е кр Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Уровень деполяризации, при котором открывается максимально возможное количество натриевых каналов (все каналы для натрия открыты) Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Поток ионов натрия «лавиной» устремляется в клетку Начинается регенеративная деполяризация Начинается регенеративная деполяризация

Порог деполяризации Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0 ) и критическим уровнем деполяризации (Е кр ) Разность между величиной исходной поляризации мембраны (Е 0 ) и критическим уровнем деполяризации (Е кр ) Δ V= Е 0 - Е кр Δ V= Е 0 - Е кр При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! При этом ток натрия превышает ток калия в 20 раз! Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов Зависит от соотношения активированных натриевых и калиевых каналов

Подпороговая деполяризация или локальный ответ ЛО местная активная кратковременная и обратимая деполяризация мембраны, в ответ на подпороговый стимул При этом открывается небольшое количество натриевых каналов

Закон «все или ничего» Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Подпороговый раздражитель вызывает местную деполяризацию («ничего») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Пороговый раздражитель вызывает максимально возможный ответ («Все») Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Сверхпороговый раздражитель вызывает такой же ответ, что и пороговый Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя. Т.о. ответ клетки не зависит от силы раздражителя.

ЛО Свойства ЛО 1. Не подчиняется закону «все или ничего» Амплитуда ЛО зависит от силы стимула Распространяется по мембране затуханием (декрементом) Может суммироваться (в результате амплитуда деполяризации увеличивается) Трансформируется в потенциал действия при достижении уровня критической деполяризации

Регенеративная деполяризация самоподдерживающаяся деполяризация, не требующая дальнейшего воздействия внешнего стимула.

Потенциал действия (ПД) Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Это разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками мембраны, которая возникает в результате быстрой деполяризации мембраны с последующей ее перезарядкой. Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс Амплитуда ПД около 120 – 130 мкВ, длительность (в среднем) - 3 – 5 мс (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с). (в разных тканях от 0,01мс до 0,3 с).

Е0Е0 Е кр мВ

Фазы ПД 1. Медленная даполяризация 2. Быстрая деполяризация 3. Инверсия 4. Реверсия 5. Быстрая реполяризация 6. Медленная реполяризация 7. Гиперполяризация

Потенциал действия Ионные токи натрия и калия

Na + К+К+ Е0Е0 Е кр 0 +30

Условия возникновения ПД Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Деполяризация должна достигнуть критического уровня деполяризации Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Ток натрия в клетку должен превышать ток калия из клетки в 20 раз (каналы для натрия быстропроводящие, а для калия – медленные) Должна развиться регенеративная деполяризация Должна развиться регенеративная деполяризация

Изменения возбудимости во время ПД Возбудимость обратнопропорционально зависит от величины порога деполяризации Возбудимость обратнопропорционально зависит от величины порога деполяризации Δ V возбудимость Δ V возбудимость Δ V= Е 0 - Е кр

Е0Е0 Е кр 0 +30

Фазы возбудимость 1. Спернормальность 2. Абсолютная рефрактерность – отсутствие возбудимости 3. Относительная рефрактерность 4. Супернормальность 5. Субнормальность

Законы раздражения

Раздражение Это процесс воздействия на клетку Это процесс воздействия на клетку Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки Эффект воздействия зависит как от качественных и количественных характеристик раздражителя, так и свойств самой клетки

Виды раздражения Механическое Механическое Температурное Температурное Химическое Химическое Биологическое Биологическое Электрическое Электрическое

Преимущества электрического раздражителя 1. Моделирует биологические процессы (биопотенциалы) 2. Легко дозируется: По силе По силе По времени действия По времени действия По времени нарастания силы (крутизне) По времени нарастания силы (крутизне)

ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ Это комплекс правил, описывающих требования, которым должен подчиняться раздражитель, чтобы он мог вызвать процесс возбуждения. К ним относятся: полярный закон закон силы закон времени (длительности действия) закон крутизны (времени нарастания силы)

Полярный закон При внеклеточном приложении прямоугольного импульса постоянного тока возбуждение возникает при замыкании цепи под катодом, а при размыкании цепи - под анодом.

катод - анод Замыкание цепи

катод - анод Разамыкание цепи

Законы раздражения Закон силы Закон силы – чтобы возник ПД, сила стимула должна быть не меньше пороговой величины. Закон времени Закон времени – чтобы возник ПД, время дейстия стимула должно быть не меньше пороговой величины Закон крутизны Закон крутизны – чтобы возник ПД, крутизна стимула должна быть не меньше пороговой величины

Зависимость силы от времени действия Р – реобаза – это минимальная сила тока, вызывающая возбуждение ПВ – полезное время – ми- нимальное время действия раздражающего импульса силой в одну реобазу, необходимое для возбуждения. Хр – хронаския - минимальное время действия раздражающего импульса силой в 2 реобазы необходимое для возикновенния ПД.

Аккомодация Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Это способность ткани приспосабливаться к длительно действующему раздражителю. При этом сила его также увеличивается медленно (маленькая крутизна) Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Происходит смещение критического уровня деполяризации в сторону нуля Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации Натриевые каналы открываются не одновременно и ток натрия в клетку компенсируется током калия из клетки. ПД не возникает, т.к. нет регенеративной деполяризации

Аккомодация Аккомодация.

Аккомодация проявляется в увеличении пороговой силы стимула при уменьшении крутизны нарастании стимула – чем меньше крутизна, тем больше пороговая сила В основе аккомодации ткани лежит процесс инактивации натриевых каналов. Поэтому чем меньше крутизна нарас- тания стимула – тем больше инактивируется натриевых каналов – происходит смещение уровня критической деполяризации и возрастает пороговая сила стимула. Если крутизна нарастания стимула будет меньше порого- вой величины, то ПД не возникает и будет наблюдаться только локальный ответ.

ЭЛЕКТРОТОН ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ Изменения возбудимости мембраны при длительном воздействии на нее постоянного тока подпороговой силы. катэлектротон -При этом под катодом развивается катэлектротон - увеличение возбудимости. анэлектротонпод анодом – анэлектротон - снижение возбудимости.

Электротон. А – катэлектротон. 1 – начальное повышение возбудимости: V1 < V. 2 – катодическая депрессия: V2 > V. Б – анэлектротон, понижение возбудимости: V1 > V.

Катодическая депрессия по Вериго Если потоянный ток действует на мембрану длительное время, то повышенная возбуди- мость под катодом изменяется на снижение возбудимости. В основе этого явления лежит явление аккомодации ткани, т.к. постоянный ток можно представить как ток с бесконечно малой крутизной нарастания.