Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны

3. Фаза  относительной рефрактерности —  это период восстановления возбудимости  клетки, когда сильное раздражение  может вызвать новое возбуждение. Относительная рефрактерная фаза соответствует конечной части фазы реполяризации (начиная примерно от Екр ± 10 мВ) и следовой гиперполяризации клеточной мембраны, если она имеется. Пониженная возбудимость является следствием все еще повышенной проницаемости для К+ и избыточным выходом К+ из клетки. Поэтому, чтобы вызвать возбуждение в этот период, необходимо приложить более сильное раздражение, так как выход К+ из клетки препятствует ее деполяризации. Кроме того, в период следовой гиперполяризации мембранный потенциал больше и, естественно, дальше отстоит от критического уровня деполяризации. Если реполяризация в конце пика ПД замедляется, то относительная рефрактерная фаза включает и период замедления реполяризации, и период гиперполяризации, т.е. продолжается до возвращения мембранного потенциала к исходному уровню после гиперполяризации. Продолжительность относительной рефрактерной фазы вариабельна, у нервных волокон она невелика и составляет несколько миллисекунд.

4. Фаза  экзальтации — это период повышенной возбудимости. Он соответствует следовой деполяризации. В некоторых клетках, например в нейронах ЦНС, возможна частичная деполяризация клеточной мембраны вслед за гиперполяризацией. Очередной ПД можно вызывать более слабым раздражением, поскольку мембранный потенциал несколько меньше обычного, и он оказывается ближе к критическому уровню деполяризации, что объясняют повышенной проницаемостью клеточной мембраны для ионов Na+. Скорость протекания фазовых изменений возбудимости клетки определяет ее лабильность.

Лабильность, или функциональная подвижность, — скорость протекания одного цикла возбуждения, т.е. ПД. Лабильность ткани зависит от длительности ПД: лабильность, как и ПД, определяете скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки, которая, i свою очередь, зависит от скорости изменения проницаемости клеточной мембраны. При этом особое значение имеет длительность! рефрактерной фазы: чем больше рефрактерная фаза, тем ниже лабильность ткани.

Мерой лабильности является максимальное число ПД, Komopot ткань может воспроизвести в 1 с. В эксперименте лабильность исследуют в процессе регистрации максимального числа ПД, которое может воспроизвести клетка при увеличении частоты ритмического раздражения.

Лабильность различных тканей существенно различается. Так лабильность нерва равна 500 — 1000 имп/с, мышцы — около 200 имп/с, нервно-мышечного синапса — порядка 100 имп/с. Лабильность ткани понижается при длительном бездействии органе и при утомлении, а также в случае нарушения иннервации.

Следует отметить, что при постепенном увеличении частоты ритмического раздражения лабильность ткани повышается, т. е. ткань отвечает более высокой частотой возбуждения по сравнению с исходной частотой. Это явление было открыто в 1923 г. А. А. Ухтомским и получила название усвоение ритма раздражения. 

Оценка  возбудимости клетки. Аккомодация 

Возбудимость  клетки изменяется не только в процессе возбуждения, но и при изменении  химического состава внеклеточной жидкости (в результате длительной высокой активности клеток отклонения показателей внутренней среды в патологических случаях). Если ПП медленно уменьшается, например при недостатке кислорода или под действием миорелаксантов типа сукцинилхолина, развивается инактивация Na-каналов, и клетка становите невозбудимой. При снижении концентрации ионов Na+ вне клетки этот ион в меньшем количестве входит в клетку, в результате чего снижается ее возбудимость из-за гиперполяризации. Это наблюдается при бессолевой диете, при этом может развиваться мышечная слабость. Повышение внеклеточной концентрации NaH вызывает противоположный эффект типа повышения тонуса сосудов вследствие повышения возбудимости нервно-мышечных элементов. Возбудимость различных тканей сама по себе различна у нервных клеток выше, чем у мышечных, что используется в клинической практике (при выяснении причины двигательных нарушений). Показателями состояния возбудимости ткани являются пороговый потенциал, пороговая сила, пороговое время.

Пороговый потенциал (AV) — минимальная величина, на которую надо уменьшить мембранный потенциал покоя, чтобы вызвать возбуждение (ПД). AV и возбудимость клеток находятся в обратных соотношениях: небольшая величина AV свидетельствует о высокой возбудимости клетки. Если уменьшение мембранного потенциала (частичная деполяризация) на 5 —10 мВ вызывает возникновение ПД, то возбудимость клетки высока. Напротив, большой AV (30 — 40 мВ) свидетельствует о более низкой возбудимости клетки. Однако во всех случаях ПД возникает только при достижении критического уровня деполяризации клеточной мембраны Екр (КУД).

Критический уровень деполяризации Екр (КУД) — это минимальная деполяризация  клеточной мембраны, при которой  возникает ПД. Дальнейшее раздражение  клетки и искусственное снижение ПП ничего не изменяют в процессе возникновения  ПД, поскольку деполяризация клетки, достигнув критической величины, сама по себе ведет к открытию потенциалзависимых т-ворот Na-каналов, в результате чего Na+ устремляется в клетку, ускоряя деполяризацию независимо от действия раздражителя. Критический уровень деполяризации клеточной мембраны обычно составляет около —50 мВ. При величине ПП, например, до —60 мВ (Е0), деполяризация (уменьшение ПП на 10 мВ) приведет к достижению £кр (-50мВ) и возникнет ПД. Если ПП равен —90 мВ, то для вызова ПД надо снизить ПП на 40 мВ. В последнем случае возбудимость клетки значительно ниже.

Таким образом, AV= Е0 - Екр.

Соотношения между ДУ, Е0 и Екр: наибольшая возбудимость при наименьшем AV, наименьшая возбудимость при наибольшем AV. AV мало зависит от критического уровня деполяризации Екр, но существенно — от ПП клетки Е0, поскольку Екр, как отмечалось выше, величина довольно постоянная.

Величина  ПП изменяется в различных условиях деятельности клетки, вследствие этого  изменяется и ее возбудимость, например при изменении концентрации Са2+, рН среды. Когда концентрация Са2+ в среде повышается, клетка становится менее возбудимой, поскольку возрастает мембранный потенциал, вследствие Чего Е0 удаляется от Екр, а когда концентрация Са2+ снижается, возбудимость клетки возрастает, так как мембранный потенциал. Уменьшается, Е0 приближается к Екр. Такое повышение возбудимости лежит в основе синдрома тетании, связанного с дефицитом Са2+ в крови. Изменения содержания ионов Н+ в среде действуют на возбудимость нейронов так же, как изменения концентрации Са2+, что в обоих случаях объясняется изменением величины Е0. Однако если мембранный потенциал снижается медлен-. но, ниже Екр (—50 мВ), например в условиях гипоксии или охлаждения, то клетка становится невозбудимой вследствие инактивации Ка+-каналов и невозможности достичь Екр.

Несмотря  на то что ДУ является наиболее точным показателем состояния возбудимости клетки, используется он в эксперименте из-за сложности процедуры реже, чем другие показатели. Чаще всего  возбудимость оценивается по пороговой  силе раздражителя.

Пороговая сила — наименьшая сила раздражителя. Сила раздражителя — понятие собирательное, оно отражает степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань. Например, сила электрического тока выражается в амперах (А), температура среды — в градусах (°С), концентрация химического вещества — в миллимолях на 1 л, сила звука — в децибелах (дБ) и т. д. При использовании в качестве раздражителя электрического тока предложенное определение пороговой силы совпадает с понятием «реобаза». Реобаза — это наименьшая сила тока, способная вызвать импульсное возбуждение. Если возбудимость ткани высока, пороговая сила раздражителя мала. Чем выше возбудимость, тем ниже пороговая сила. Большая пороговая сила свидетельствует о низкой возбудимости ткани. При внутриклеточном раздражении пороговая сила электрического тока для различных клеток равна 10~7— 10~9 А. При медленно нарастающей силе раздражителя возбуждение может не возникнуть даже при достижении большой его силы, значительно превосходящей пороговую (закон Дюбуа —Реймона, 1845). Это свидетельствует о том, что возбудимость ткани в таких условиях уменьшается, так как возникает явление аккомодации.

Аккомодация — это понижение возбудимости клетки и амплитуды ПД вплоть до полного его отсутствия при медленно нарастающем стимуле (малая крутизна). Главной причиной аккомодации является инактивация Na-каналов, возникающая при медленной деполяризации клеточной мембраны, которая длится в течение 1 с и более. Клетка теряет возбудимость если закрывается около 50% инактивационных /г-ворот (в покое //-ворота в основном открыты, закрыто около 20%). Меньшую роль играет активация К-каналов. Возникающая частичная деполяризация клетки при медленно нарастающей силе стимула ведет к уменьшению мембранного потенциала. Поэтому если и возникает ПД при дальнейшем резком увеличении силы раздражителя, то его амплитуда мала. Аккомодация развивается, например, в клетках ЦНС, когда они деполяризуются при суммации медленно нарастающих синапти-ческих потенциалов. Скорость развития аккомодации у разных тканей различна, она зависит, как и скорость возникновения ПД, от скорости активации и инактивации ионных каналов и в первую очередь, от инактивации Na-каналов. Таким образом, аккомодация характеризует не возбудимость ткани, а изменение возбудимости ткани при действии плавно нарастающего раздражителя. Поэтому при определении возбудимости ткани в качестве раздражителя необходимо использовать прямоугольные импульсы. В этом случае скорость нарастания стимула и активация Na-каналов опережают скорость аккомодации (инактивации Na-каналов), что и приводит к возникновению ПД. Важным условием, обеспечивающим возникновение возбуждения при действии раздражителя, является его длительность. Поэтому для оценки свойств возбудимой ткани вводится еще одно понятие — пороговое время.

Пороговое время — минимальное время, в  течение которого Должен действовать  на ткань раздражитель пороговой  силы, чтобы вызвать ее возбуждение. Пороговое время называют также  полезным временем, так как раздражитель обеспечивает деполяризацию только до критического уровня Екр. Далее ПД развивается независимо от действия раздражителя, дальнейшее раздражение уже становится ненужным — бесполезным. В эксперименте, в клинической практике для оценки свойств возбудимой ткани чаще используют не пороговое время, а хронаксию. Это связано с тем, что определение порогового времени затруднено. Хронаксия — это наименьшее время, в течение которого должен действовать ток в две реобазы, чтобы вызвать возбуждение. Хронаксия соответствует крутой части кривой силы — времени, она колеблется от сотых долей миллисекунд до сотен миллисекунд. Измерение хронаксии в клинической практике позволяет уточнить характер повреждений мышцы при травмах. В норме фактически определяется хронаксия нервных волокон, так как возбудимость их выше. В случае повреждения нерва и его перерождения определяется истинная хронаксия мышцы, которая оказывается во много раз больше хронаксии до травмы.

Взаимозависимость между временем действия раздражителя и сверхпороговой силой, необходимой  для вызова возбуждения. Кривая в виде гиперболы (кривая Гоорве-га—Вейса—Лапика) демонстрирует, что с увеличением времени действия раздражителя его сила, необходимая для вызова возбуждения, уменьшается и наоборот. Из графика (правая часть) следует, что если для получения возбуждения использовать раздражитель по амплитуде меньше реобазы, возбуждение ткани не возникнет даже в случае бесконечно большого времени его действия. Однако, если для получения возбуждения использовать раздражитель, длительность которого будет меньше некоторого критического интервала (левая часть графика), возбуждение ткани также не будет получено даже в случае бесконечно большой силы раздражителя. Поэтому высокочастотный переменный ток (> 10 кГц) опасности для организма не представляет: при сверхкоротком воздействии на ткань импульс электрического тока дает лишь тепловой эффект, что используется в клинической практике для глубокого прогревания тканей при различных патологических процессах. Низкочастотный переменный синусоидальный ток (50 Гц) стимулирует возбудимые ткани. Стимулы синусоидального тока частотой 50 Гц большого напряжения опасны для жизни, так как они могут вызвать фибрилляцию сердца с летальным исходом.

В учебниках  и руководствах по физиологии нередко  встречаются термины «порог раздражения» и «порог возбуждения», под которым понимают минимальную интенсивность или минимальную энергию раздражения, способную вызвать возбуждение. Следует заметить, что понятие «интенсивность раздражения» не определено в количественном отношении. Понятие «порог раздражения» или «порог возбуждения» как минимальная энергия без указания времени действия раздражителя тоже не позволяет определить возбудимость ткани, поскольку при длительном действии слабого (подпороговой силы) раздражителя можно израсходовать большое количество энергии, но возбуждение ткани так и не вызвать. В этом случае деполяризация не достигнет критического уровня £ Кроме того, возникнет явление аккомодации, т.е. инактивация Na-каналов, которая, как известно, развивается быстро. Необоснованно также рассматривать термин «пороговая сила» как величину, зависящую от времени ее действия, что нередко допускается. Пороговая сила не может зависеть от времени действия, она зависит только от возбудимости ткани. При определении пороговой силы время ее действия не ограничивают. Сверхпороговая сила, действительно, связана со временем ее действия: чем она больше, тем короче время ее действия, необходимое для вызова возбуждения.