2 курс / Нормальная физиология / Физиология возбудимых тканей

Эти изменения возбудимости называются электротоническими изменениями возбудимости. Они связаны с электротоническими изменениями мембранного потенциала.

Ученый Вериго дополнил установленные Пфлюгером закономерности и показал, что при длительном действии постоянного тока электротонические изменения возбудимости сменяются ее понижением (католическая депрессия), а под анодом сниженная возбудимость постепенно повышается (рис. 14). Эти изменения возбудимости возникают в результате изменения свойств мембраны. Натриевая инактивация и повышение калиевой проводимости приводят к удалению Ек (критического уровня деполяризации) от Е0 (мембранного потенциала).

Раздел 3. ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ

3.1. Одиночное мышечное сокращение, его фазы

При раздражении самой мышцы (прямое раздражение) или иннервирующего ее двигательного нерва (непрямое раздражение) одиночным стимулом возникает одиночное мышечное сокращение (рис. 15, 20), в котором выделяют три фазы: 1) латентный период (от начала раздражения до начала ответной реакции); 2) укорочение (собственно сокращение); 3) расслабление.

Латентный период одиночного сокращения икроножной мышцы лягушки составляет 0,01 с. В это время возникает распространяющийся потенциал действия, который короче продолжительности латентного (скрытого) периода.

Сокращения мышечного волокна начинается уже во время восходящей фазы потенциала действия, причем его начало – момент, когда распространяющийся потенциал действия поднимается до некоторой пороговой для механического ответа величины (примерно 110 мВ). Так как восходящее и нисходящее колена сокращения приблизительно равны, то фаза сокращения (укорочения) длится 0,05 с и период расслабления – 0,05 с. Продолжительность всего одиночного мышечного сокращения икроножной мышцы лягушки 0,1 с.

30

При нанесении на мышцу во время одиночного сокращения второго раздражения наблюдается эффект суммации мышечных сокращений. Это явление называется суммацией сокращения. При суммации сокращение будет иметь большую амплитуду, чем при одиночном мышечном сокращении.

Для возникновения суммации необходимо, чтобы интервал между раздражениями имел определенную длительность: он должен быть длиннее рефракторного периода, иначе на второе раздражение не будет ответа, и он не должен быть короче всей длительности сократительного ответа, чтобы второе раздражение подействовало на мышцу раньше, чем она успеет расслабиться после первого раздражения. Возможны два типа суммации: полная и неполная (рис. 15).

Если второй стимул раздражает мышцу в фазе расслабления, то происходит неполная суммация, если он приходится на фазу сокращения – полная суммация.

3.2.Тетанус и его виды

Вестественных условиях к мышцам поступают не одиночные импульсы, серии импульсов, на которые мышца отвечает длительным сокращением. Сокращение мышцы в ответ на ритмическое раздражение называется тетаническим сокращением, или тетанусом. Различают зубчатый и гладкий тетанус (рис. 15).

Рис. 15. Формирование тетануса в зависимости от частоты раздражения

31

Если каждый последующий импульс тока с относительно малой частотой приходит к мышце в период, когда она начинает расслабляться, возникает зубчатый тетанус. Если интервал между раздражениями уменьшается так, что каждый последующий импульс с большей частотой приходит к мышце в тот момент, когда она находится в фазе сокращения, возникает гладкий тетанус.

Тетаническое сокращение скелетных мышц имеет преимущества перед одиночным сокращением: оно сильнее и продолжительнее, что дает возможность сохранить определенное положение тела, держать груз и т.д.

К тетаническому сокращению способны только скелетные мышцы. Гладкие мышцы и поперечнополосатая мышца сердца не способны к тетаническому сокращению вследствие наличия продолжительного рефрактерного периода.

3.2.1. Происхождение тетануса по Н.Е. Введенскому

На нервно-мышечном препарате лягушки было установлено, что при нарастании частоты раздражителя от 10 до 50 имп/с наблюдается увеличение амплитуды сокращения. Максимальная ответная реакция обнаруживалась при частоте 40-50 имп/с. Дальнейшее увеличение частоты раздражения приводило к снижению амплитуды мышечного сокращения или к отсутствию реакции мышцы.

С увеличением частоты раздражения Н.Е. Введенский получил разные формы гладкого тетануса, возникновение которых связано с изменениями возбудимости ткани при возникновении каждого одиночного сокращения в

ответ на каждый импульс. Формирование различных ви-

дов гладкого тетануса в зависимости от частоты раздражения показано на рис. 16-19.

Амплитуда тетанического сокращения не изменяется. Этот вид возникает, когда каждый после-

Рис. 16. Неизменяющийся вид дующий импульс приходит в фазу

гладкого тетануса	нормальной возбудимости. По-

этому сокращается одинаковое количество мышечных волокон.

32

Рис. 17. Возрастающий вид	Рис. 18. Убывающий вид
гладкого тетануса	гладкого тетануса

Рис. 19. Одиночные мышечные сокращения

Увеличение ритма раздражения приводит к возрастанию амплитуды сокращения. Каждый последующий импульс приходит в фазу супернормальной (повышенной) возбудимости. Поэтому амплитуда тетанического сокращения увеличивается.

Дальнейшее увеличение частоты раздражения приводит к снижению амплитуды сокращения. Этот вид возникает, когда каждый последующий импульс приходит в фазу относительной рефрактерности (пониженной возбудимости).

При действии очень высоких частот тетанус не возникает. В ответ на такое раздражение возникают одиночные мышечные сокращения, так как импульсы приходят в фазу абсолютной рефрактерности.

3.3. Оптимум и пессимум частоты раздражения

Оптимум (наилучший) – такая сила и частота раздражителя, которая обусловливает максимальную амплитуду мышечного сокращения (40-50 имп/с) (рис. 20).

33

Пессимум (наихудший) – такая чрезмерная (большая сила) и частота раздражителя, которая вызывает резкое уменьшение амплитуды мышечного сокращения или даже отсутствие реакции мышцы (рис. 20).

4 5

1

2

3

Рис. 20. Виды тетануса: 1 – одиночные сокращения; 2 – зубчатый тетанус при увеличении частоты раздражения; 3 – гладкий тетанус; 4 – оптимум; 5 – пессимум

Снижение ответной реакции мышцы или ее отсутствие при пессимальном раздражении Н.Е. Введенский связывал с понижением лабильности ткани. В результате снижения лабильности, падает возбудимость, замедляется скорость проведения возбуждения, удлиняется рефракторный период. В итоге снижение лабильности приводит к блоку проведения возбуждения. Пессимальная реакция развивается в синапсе как наиболее низколабильном образовании.

3.4.Современная теория мышечного сокращения

ирасслабления

Скелетная мышца содержит «сократительные белки» – актин и миозин. Механизм взаимодействия этих белков во время акта мышечного сокращения объясняет теория скользящих нитей, разработанная Хаксли и Хансон. Структура миофибрилл и ее изменения при сокращении. Миофибриллы представляют собой сократительный аппарат мышечного волокна. Сократительные белки актин и миозин образуют в миофибриллах тонкие и толстые мионити. Нити располагаются параллельно вдоль мышечной клетки, как показано на рис. 21.

Перегородки, называемые Z-пластинками, разделяют миофибриллы на несколько саркомеров.

34

Рис. 21. Участок волокна скелетной мышцы (схема по Garamvolyi)

Структура саркомера схематически показана на рис. 22. Световой микроскоп выявляет в саркомере правильно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Эта поперечная исчерченность миофибрил обусловлена особой регулярной организацией нитей актина и миозина. В середине каждого саркомера расположены несколько тысяч «толстых» нитей миозина. На обоих концах саркомера находятся около 2000 «тонких» нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам подобно щетинкам в щетке.

Пучок лежащих в определенном порядке нитей миозина в середине саркомера выглядит в световом микроскопе как темная полоска; благодаря свойству двойного лучепреломления в поляризованном свете (т.е. анизотропии) она называется А-диском.

По обе стороны от А-диска находятся участки, которые содержат только тонкие нити и поэтому кажутся светлыми; эти изотропные J-диски тянутся до Z-пластинок. Именно благодаря такому периодическому чередованию светлых полос в бесконечно повторяющихся саркомерах миофибриллы волокон сердечной и скелетной мышц выглядят исчерченными (поперечнополосатыми).

35

В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов лишь незначительно перекрываются на границе между А- и J-дисками. Зона перекрывания в А-диске кажется в световом микроскопе гораздо темнее, чем центральная Н-зона, в которой нет актиновых нитей.

Укорочение саркомеров. Мышца укорачивается в результате сокращения множества саркомеров, соединенных «последовательно» в миофибриллах. При укорочении тонкие нити актина скользят вдоль толстых миозиновых нитей, двигаясь между ними к середине пучка и саркомера. Во время скольжения сами актовые и миозиновые нити не укорачиваются (рис. 22). Ширина А-диска остается при сокращении постоянной, тогда как J-диски и Н-зоны становятся более узкими.

а

б

Рис. 22. Структура саркомера: а – поперечная исчерченность миофибрилл (слева сокращение); б – организация миозиновых и актиновых нитей в расслабленном и сокращенном саркомере

Длина нитей не меняется и при растяжении мышцы. Вместо этого пучки тонких нитей, скользя, выходят из промежутков между толстыми нитями, так что степень их перекрывания уменьшается.

Каким же образом осуществляется «разнонаправленное скольжение» актиновых нитей в соседних половинах саркомера?

Работа поперечных мостиков. Миозиновые нити имеют поперечные выступы длиной около 20 нм, с головками примерно из 150 молекул миозина; они отходят от нити биополярно, как это показано на рис. 23. Во время сокращения каждая голов-

36

ка миозина (или поперечный мостик) может связывать миозиновую нить с соседней – актиновой (рис. 23).

а

б

Рис. 23. Поперечные мостики: а – модель механизма движения: миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к соседним актиновым нитям; вверху – до, внизу – во время «гребковых движений» мостиков (на самом деле эти движения происходят асинхронно); б – модель механизма создания силы

поперечными мостиками; слева – до, справа – во время «гребкового движения» мостика. Поперечные мостики химически соответствуют субфрагменту миозина – «тяжелому меромиозину», который состоит из субфрагмента I (головка миозина) и субфрагмента II (шейка миозина)

Наклоны головок создают объединенное усилие, и происходит «гребок», продвигающий актиновую нить к середине саркомера. Биополярная организация молекул миозина в двух половинах саркомера уже обеспечивает возможность скольжения актиновых нитей в противоположном направлении в левой и правой половинах саркомера.

37

При однократном вращательном движении поперечных мостиков вдоль актиновой нити саркомер укорачивается примерно на 1% его длины. Только ритмическое отсоединение и прикрепление головок миозина сможет «грести» или «тянуть» актиновую нить к середине саркомера подобно тому, как группа людей тянет длинную веревку, перебирая ее руками.

В каждом цикле прикрепления и отсоединения поперечных мостиков совершается внутренняя работа по растяжению эластических структур поперечных мостиков, которая преобразуется в тепло при отсоединении мостиков. Теплота изометрического сокращения за одинаковый период времени возрастает с увеличением количества и частоты перемещений поперечных мостиков при постоянном потреблении АТФ.

Каким образом мышца преобразует химическую энергию в механическую?

Непосредственным источником энергии для мышечного сокращения является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, которая гидролитически расщепляется и таким образом энергетически утилизируется в мышце с помощью АТФазы, фермента миозина, причем процесс активизируется актином.

Потребление АТФ при сокращении. Головки миозина, которые взаимодействуют с актином, сами содержат каталитические активные центры для расщепления АТФ. АТФазы миозина активируются активом в присутствии Mg2+. Поэтому при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Mg2+, АТФ расщепляется с освобождением АДФ и фосфата только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку – актину. В каждом цикле прикрепления – отсоединения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, 1 молекула АТФ на 1 поперечный мостик). Это означает, что чем больше поперечных мостиков находятся в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей.

Механизм действия АТФ. Молекула АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения его «гребкового» движения, и это обеспечивает энергию для разделения компонентов, участвующих в реакции (актина и миозина). После этого головки миозина отсоединяются от актина; затем АТФ расщепляется до АДФ и фосфата.

38

Расщепление является обязательным условием для следующего прикрепления поперечного мостика к активу с освобождением АДФ и фосфата и гребковым движением мостика. Когда движение мостика завершается, с ним связывается новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Циклическая активность поперечных мостиков, т.е. ритмическое прикрепление и отсоединение мостиков, которое обеспечивает мышечное сокращение, возможна только до тех пор, пока продолжается гидролиз АТФ, т.е. пока происходит активация АТФазы.

Потенциал действия, или возбуждение мембраны волокна, вызывает сокращение в ответ на стимул мышечного волокна.

Электромеханическое сопряжение – передача сигнала о со-

кращении от возбужденной клеточной мембраны к миофибриллам – состоит из нескольких последовательных процессов, главную роль в которых играют ионы Са2+.

Когда Са+ связывается с тропонином, тропомиозин скользит в желобке между двумя субъединицами актиновой нити, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков.

Механизм, посредством которого Са2+ активизирует волокно, легче понять при рассмотрении структуры актиновых нитей

(рис. 24).

а

б

Рис. 24. Действие Са2+ во время активации: а – изображение актиновой и миозиновой нитей на продольном сечении; б – поперечное сечение волокна. Когда Са2+ связывается с тропонином, тропомиозин скользит в желобке между двумя субъединицами актиновой нити, обнажая участки прикрепления поперечных мостиков

39