2 курс / Нормальная физиология / Общий_курс_физиологии_человека_и_животных_Том_1_Ноздрачев_А_Д_,

1

Понятия клеточнойфизиологии

Живым клеткам, как и многоклеточным организмам, свойственны метаболизм, раздражимость, а в определенные периоды жизни рост и размножение. Некоторые из этих свойств (метаболизм, рост и размножение) подробно обсуждаются в курсах цитологии, биохимии, генетики и др.; раздражимость — сугубо физиологическое понятие.

Раздражимость (реактивность) клеток — это их способность (свойство) активно отвечать на внешнее воздействие той или иной формой деятельности, например усилением метаболизма и роста, ускорением деления, выбросом секрета, движением, электрическим импульсом.

Реактивность живых клеток и многоклеточных организмов отличается от пассивной реактивности неживых тел (например, «реактивности» упругих тел в отношении действующих на них механических сил). Это отличие состоит в том, что энергия для реакции клеток возникает не за счет внешнего воздействия, а в результате внутриклеточных метаболических процессов, запускаемых внешним воздействием.

Поэтому энергия (сила) и форма реакции клетки не определяются энергией (силой) внешнего воздействия.

Реакция может быть в ряде случаев пропорциональна действующей внешней силе, но и это не всегда так.

Среди различных форм клеточных реакций на внешние воздействия — раздражители выделяют возбуждение. Возбуждением клетки часто называют реакцию, проявляющуюся в особенно отчетливой внешней деятельности: в резком движении клетки (например, ее сокращении), генерации электрического сигнала, выбросе секрета. Приведенное определение понятия «возбуждение» можно назвать общебиологическим.

В специальной физиологической литературе возбуждением иногда называют активный электрический ответ клетки (так называемый потенциал действия), а сокращение и секрецию рассматривают как следствие электрической реакции.

Клетки, способные к возбуждению, — мышечные, нервные, железистые — называют возбудимыми. К возбудимым клеткам, т. е. к обладающим возбудимостью, относятся и элементы сенсорных рецепторов — нервные окончания и специальные рецепторные клетки. Возбудимость всех этих клеток обеспечивает реактивность макроорганизмов. Возбудимость обнаруживается и у некоторых одноклеточных организмов.

В качестве внешних воздействий, вызывающих возбуждение, могут выступать механические, химические, звуковые и световые влияния. Для каждой возбудимой клетки весь набор внешних воздействий — раздражителей — делится на две неравные части: адекватные и неадекватные раздражители. Адекватный раздражитель соответствует данному виду клеток; он вызывает возбуждение даже при очень малой энергии (дозе) воздействия. Таков свет — для фоторецепторов, звук — для слуховых рецепторов, пахучие вещества — для обонятельных рецепторов и т. д. Для нервных и мышечных клеток многоклеточных организмов адекватными раздражителями являются электрические токи и некоторые химические агенты, продуцируемые другими клетками. Все прочие раздражители называют неадекватными.

Минимальная энергия (сила) раздражителя, необходимая для возбуждения клетки, называется пороговой (порогом). В случае неадекватных раздражителей (например, механического воздействия на фоторецепторы или нервные волокна) она на много порядков превышает пороговую энергию для адекватных раздражителей. Возбудимость по отношению к раздражителю измеряют порогом раздражения; возбудимость обратно пропорциональна величине порога.

Возбуждение, возникнув в точке действия раздражителя, во многих случаях способно

распространяться, охватывая всю клетку. Это тесно связано с электрическим ответом и имеет большое значение в деятельности нервной системы и особенно ее проводящих путей (нервная сигнализация).

Возбудимым клеткам при отсутствии достаточных раздражителей свойственно состояние физиологического покоя, которое, конечно, не равно полной бездеятельности, ибо сопряжено с текущим метаболизмом.

Некоторые внешние воздействия могут вызывать в клетках реакции с отрицательным знаком (уменьшение метаболизма, роста, снижение возбудимости по отношению к раздражителям). Такие реакции называют торможением. Торможение может вызываться как воздействиями из внешней среды, так и влияниями со стороны других клеток организма.

Явление торможения — важный феномен, широко используемый в процессах интеграции и координации клеточных функций в многоклеточном организме.

1.1.Общая физиология нервной системы

Ворганизме человека и большинства животных, особую роль играют нервная система и мышцы. Нервная система связывает между собой, объединяет (интегрирует) различные части многоклеточного организма. Мышцы играют роль двигателей, обеспечивающих подвижность, иначе говоря, активность организмов в их среде, а также механические функции внутренних органов (сердца, легких, кишечника и т. п.). Универсальность и чрезвычайная важность функций нервной системы и мышц, а также и то, что эти образования и формирующие их клеточные элементы изучены особенно подробно, оправдывает вынесение общих характеристик нервной системы и мышц в начало данного курса.

1.1.1.Основные типы строения нервной системы

Основными типами строения нервной системы разных представителей животного мира являются диффузный, узловой (в частности, цепочечный или лестничный) и трубчатый

(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Основные типы строения нервной системы. А — диффузный (кишечнополостные); Б — цепочечный (членистоногие); В — трубчатый (центральная нервная система позвоночных)

Диффузный тип нервной системы, присущий низшим многоклеточным (например, кишечнополостным), характеризуется приблизительно равномерным распределением нервных элементов во всем теле животного. Узловой, характерный для высших беспозвоночных, имеет концентрацию нервных элементов в узлах (особенно в подглоточном и надглоточном), которые связаны между собой коннективами, а с остальными частями организма — периферическими нервами. Трубчатый тип нервной системы характеризуется концентрацией нервных элементов в нервной трубке (мозгу) и особенно в расширениях оральной части этой трубки (головном мозгу). Этот тип присущ

позвоночным, в том числе человеку. Головной и спинной мозг связан с остальными частями организма с помощью многочисленных нервов.

Нервные клетки. Нервная система человека и животных состоит из нервных клеток, тесно связанных с глиальными клетками. Нервные клетки у позвоночных и высших беспозвоночных имеют характерные отростки, отходящие от тела (сомы, или перикариона), в котором находится клеточное ядро.

Различают два вида этих отростков: дендриты и аксоны (рис. 1.2). По количеству отростков, отходящих от сомы, нейроны подразделяют на униполярные (имеют один отросток, отходящий от сомы), биполярные (имеют два отростка) и мультиполярные (имеют более двух отростков, отходящих от сомы).

Рис. 1.2. Основные типы строения нейронов. А — веретенообразный (кишечнополостные); Б — псевдоуниполярный (сенсорный нейрон позвоночных); В — мультиполярный (позвоночные); Г — типичный нейрон ЦHC беспозвоночных: 1—сома, 2—синапс, 3—аксон, 4—дендрит,5—центральный отросток

Униполярные нейроны имеются у животных разных типов, но особенно широко они распространены у беспозвоночных, например у моллюсков и насекомых. У этих животных от тела нейрона отходит клеточный отросток, который переходит в так называемый центральный отросток, порождающий аксон и дающий множество дендритов. Мультиполярные клетки — это основной вид нейронов у позвоночных. У низших беспозвоночных (кишечнополостных) нейроны обладают веретенообразной формой без четкого деления на тело и отростки.

Перикарионы нейронов обычно имеют размеры (диаметры) от 5 до 100 мкм. Отростки нервных клеток у высших позвоночных и беспозвоночных, особенно аксоны с диаметром от 1 до 6—10 мкм, могут быть очень длинными (до 1 м!). В особых случаях при слиянии аксонов (например, у головоногих моллюсков) формируются гигантские аксоны, диаметр которых может достигать 1 мм, что делает их очень удобными для исследования.

Нейрон, как и все прочие клетки, снаружи покрыт непрерывной оболочкой —

плазматической мембраной, плазмалеммой. Она отделяет цитоплазму клетки с включенными в нее многочисленными органоидами (ядром, аппаратом Гольджи, митохондриями и т. п.) от внеклеточной жидкости. С помощью аксонов и дендритов нейроны контактируют между собой и с другими клетками, например с мышечными. Эти контакты имеют особое строение и называются синапсами.

Существуют различные типы синапсов (по структуре, функции, способу передачи сигнала, местоположению в системе и т. д.).

Чрезвычайно широко распространены так называемые химические синапсы, в которых передача осуществляется с помощью специального химического агента — локального передатчика-трансмиттера — медиатора, выбрасываемого пресинаптическим нервным окончанием и действующего на постсинаптическую клетку.

В составе нервной системы у позвоночных и беспозвоночных находятся и нейросекреторные клетки (у позвоночных, например, в гипоталамусе). Эти клетки вырабатывают нейрогормоны (физиологически активные вещества), которые выделяются в кровоток и действуют на все чувствительные к ним клетки организма (см. гл. 6).

Глиальные клетки. К глиальным клеткам относятся олигодендроциты, астроциты, шванновские клетки и др. Они окружают нервные клетки и в некоторых местах тесно соприкасаются с ними. Число глиальных клеток в нервной системе примерно на порядок больше числа нейронов. Особую роль глиальные клетки играют в формировании так называемых миелиновых оболочек аксонов. Миелиновые оболочки формируются у позвоночных в ЦНС за счет отростков олигодендроцитов, а на периферии — за счет так называемых шванновских клеток. Эти клетки окутывают аксоны многослойными миелиновыми «муфтами» (рис. 1.3) так, что большая часть аксона оказывается покрытой ими, а открытыми остаются узкие участки между муфтами — перехваты Ранвье. Последние у таких волокон имеют особое функциональное значение:

Рис. 1.3. Миелиновая «муфта» аксона позвоночного: Шванновская клетка «накручивается» на аксон и, теряя в намотанной части цитоплазму, формирует из своей мембраны плотный многослойный миелиновый футляр; 1 — шванновская клетка (ядерная часть, сохранившая цитоплазму), 2 — пальцеобразный отросток шванновской клетки, 3 — аксон, 4 — миелин, 5 — перехват Ранвье

Функция нервных клеток. Функция нервных клеток состоит в передаче информации (сообщений, приказов или запретов) с помощью нервных импульсов.

Нервные импульсы распространяются по отросткам нейронов и передаются через синапсы (как правило, от аксонной терминали на сому или дендрит следующего нейрона). Возникновение и распространение нервного импульса, а также его синаптическая передача тесно связаны с электрическими явлениями на плазматической мембране нейрона.

1.1.2. Мембранные потенциалы нервных элементов

Для исследования электрических явлений в нервных (и других) клетках в настоящее время широко применяют микроэлектроды (стеклянные пипетки с очень тонким, примерно 0,5 мкм, кончиком), заполненные электролитом. В таком микроэлектроде электролит играет роль проводника тока, а стекло — изолятора. Если кончик микроэлектрода вводят внутрь клетки, то он регистрирует внутриклеточный потенциал (относительно наружного «индифферентного» электрода). В крупные нервные клетки (волокна) удается вводить и проволочные электроды. С помощью внутриклеточных

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, в том числе анионы органических кислот, по существу, совсем не проходят через мембрану (могут покидать клетку лишь путем экзоцитоза). В то же время в мембране нервного волокна существуют каналы, проницаемые для воды, для малых молекул водорастворимых веществ и для малых ионов.

Ионные каналы. Особое значение имеют каналы, проницаемые для ионов Na+, К+, Сl-, Са2+. В нервной мембране присутствуют специфические (селективные) натриевые, калиевые, хлорные и кальциевые каналы, т. е. каналы, избирательно пропускающие только Na+ или К+, Сl- или Са2+. Эти каналы обладают воротными механизмами и могут быть открытыми или закрытыми. В гигантском аксоне кальмара много натриевых и калиевых каналов. В покое практически все натриевые каналы мембраны аксона закрыты, а большое число калиевых — открыто. Определенное состояние ионных каналов мембраны (например, закрытое у натриевых, открытое у значительной части калиевых) очень важно для генерации МПП нервной клеткой. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для К+, Na+ и С1- (больше всего для К+). Эти каналы не имеют воротных механизмов, они всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.

Ионный насос. Важным условием для формирования МПП является отличие ионного состава аксоплазмы от ионного состава внешней среды.

В табл. 1.1 сопоставлен ионный состав аксоплазмы гигантского аксона и крови кальмара. Различия в этих составах постоянны и в основном сводятся к тому, что в аксоплазме по сравнению с кровью меньше ионов Na+, больше К+ и несравненно больше органических анионов. Последние не могут проникнуть через неповрежденную мембрану наружу. Что касается катионных различий, то они являются результатом работы так называемого натрий-калиевого насоса мембраны, непрерывно откачивающего Na+ из клетки в обмен на К+.

Таблица 1.1. Ионный состав аксоплазмы и внешней среды гигантского аксона кальмара, ммоль/кг воды

Перенос ионов против градиентов их концентраций называют активным ионным транспортом в отличие от пассивного транспорта — утечки ионов.

Натрий-калиевый насос работает, потребляя энергию АТФ, его основным компонентом является фермент — мембранная Na, K-АТФаза, В норме АТФ поступает к насосу из аксональных митохондрий. Поэтому в лишенном аксоплазмы перфузируемом аксоне насос работает только при добавлении к перфузату АТФ. Для работы насоса, кроме того, требуется наличие в среде ионов К+, а внутри волокна — ионов Na+. Макромолекулярный механизм насоса работает лишь в случае присоединения к этой системе снаружи ионов К+,

а изнутри клетки — ионов Na+ (рис. 1.5, Б).

Рис. 1.5. Строение плазматической мембраны и ее механизмы, ответственные за мембранные потенциалы покоя и действия (упрощенная схема). А — участок мембраны (продольный срез); Б — условное изображение активного переноса ионов насосом за счет энергии АТФ; В — эквивалентная электрическая схема мембраны:1 — насос, 2 — липидный матрикс; желтым цветом обозначены белковые макромолекулы, формирующие безворотный ионный канал, специальные натриевые и калиевые каналы с воротными механизмами и насос; горизонтальными стрелками показаны открытие (и закрытие) воротных устройств; вертикальными — направление движения ионов

Утечка ионов. Поляризация мембраны при открытых калиевых каналах, т. с. при высокой калиевой проницаемости (РК) мембраны и при наличии большого трансмембранного градиента концентраций К+ ([К ]вн >> [К]нар), объясняется прежде всего хотя и очень небольшой, но существующей утечкой внутриклеточного К+ в среду.

Утечка К+ создает разность электрических потенциалов между средой и аксоплазмой в условиях, когда вход Na в клетку или выход из нее органических анионов (что могло бы компенсировать нарушения электронейтральности от потери К+) исключены свойствами покоящейся мембраны.

В этой ситуации на мембране создается двойной электрический слой (снаружи — катионы, главным образом Na , внутри — анионы, главным образом органических кислот), препятствующий дальнейшему выходу К+.

Рассмотрим некоторые подробности. Перемещение К+ из клетки наружу осуществляется концентрационным градиентом этого иона, совершающим «осмотическую» работу (АОСМ):

[K +НАР. ]

АОСМ = RT [K+ВН. ]

где R — универсальная газовая постоянная, т. е. кинетическая энергия 1 моля ионов при абсолютной температуре Т = 1К.

В силу возникающего мембранного потенциала ионы К+ частично возвращаются в клетку, при этом совершается электрическая работа. Qэл = QE = nFE, где Q — количество электричества, п — валентность, F — число Фарадея (заряд 1 моля одновалентных ионов), Е — потенциал. Если выход ионов К+ из клетки преобладает над их возвращением, то постепенно растет АЭЛ. и несколько падает АОСМ. В итоге на мембране достигается Е, при котором Аэл = Аосм для иона К+, т. е. калиевый равновесный потенциал, обозначаемый ЕК

Из рассмотренного выше следует, что:

ЕК = RT ln [K ++НАР. ]

F [K ВН. ]

или упрощенно (при t = 20 °С)

[K +НАР. ]

Ек = 58 lg [K+ВН. ] (формула Нернста)

Разность между текущим значением мембранного потенциала (МП)2 и Ек называют электрохимическим градиентом для К+. Электрохимический градиент — причина пассивного движения К+ через мембрану в естественных условиях.

Справедливость этих представлений доказывается обратной зависимостью МП нервного волокна от ln [K+]НАР (рис. 1.6). По тому же принципу может быть рассчитан электрохимический градиент для Na+ (ЕNa), Сl- (ЕСl) или Са2+ (EСa).

Рис. 1.6. Зависимость величины мембранного потенциала (МП) нервного волокна каракатицы от наружной концентрации К+ (1) и величина МП, рассчитанная по уравнению Нернста для калиевого электрода (2)

Мембранный потенциал покоя гигантского аксона кальмара (—70 мВ) близок к его Ек (—75 мВ), но не точно равен ему, так как МПП здесь формируется не только утечкой ионов К+, но и утечкой ионов Na и Сl-. При этом поступление С1- в аксон (ECl = — 70 мВ)

повышает3, a Na+ — понижает МПП (ENa = 55 мВ).

Итоговая величина Е, создаваемого утечкой ионов К+,. Na+ и Сl-, может быть достаточно точно рассчитана по формуле Гольдмана:

где Р — проницаемость мембраны для соответствующих ионов. Ее часто выражают в относительных величинах, принимая Рк за единицу. Для мембраны аксона кальмара в покое отношение РK : PNa : РСl =1:0,04:0,45.

Утечка ионов, прежде всего ионов К+, формирует так называемый концентрационный потенциал (ЕКОНЦ.) — основную часть реального МПП.

Прямой электрогенный эффект насоса. В перфузируемом чистым солевым раствором гигантском аксоне кальмара утечка ионов — это, по существу, единственный механизм формирования МПП, но в естественных условиях в образовании МПП участвует еще один, добавочный механизм — прямой электрогенный эффект натрий-

калиевого насоса (рис. 1.7).

2МП обозначает любое значение потенциала мембраны, наблюдаемое как в состоянии покоя (МПП), так и в состоянии возбуждения.

3 Повышением МПП условно называют увеличение электроотрицательности внутренней поверхности мембраны.

Рис. 1.7. Две гипотезы о механизме работы натрий-калиевого насоса мембраны. А — схема с перемещающимися внутримембранными частицами; Б — схема с мембранной макромолекулой, ритмически изменяющей свою конформацию:I — внутриклеточная среда, II — мембрана, III — внеклеточная среда; 1 — транспортируемое вещество, 2 — транспортирующие частицы, 3 — макромолекула, ритмически меняющая свою конформацию (за счет энергии АТФ); а — конформация для отдачи вещества во внешнюю среду, б — конформация для приема вещества из клетки; стрелками показано направление движения частиц

Прямой электрогенный эффект насоса (который следует отличать от косвенного, т. е. от участия насоса в создании концентрационных градиентов) состоит в поляризации мембраны, возникающей при неравенстве числа (q) ионов Na и К, которые переносятся в каждом цикле работы насоса.

Только если эти числа равны, насос работает электронейтрально. Если qNa > qk, то его работа увеличивает Ем (так происходит в нервных и мышечных клетках), если же qNa<qK, то Ем уменьшается, что, по-видимому, происходит в шванновских клетках. В нервных волокнах и клетках qNa/qK =3/2.

Прямой электрогенный эффект насоса ЕНАС зависит не только от скорости переноса заряда насосом, но и от скорости утечки последних в противоположном направлении. В условиях стационарности электрический ток насоса (IНАС) равен току утечки IУ), создаваемому за счет ЕНАС. Кроме того, ток утечки зависит от электрического сопротивления мембраны. Таким образом, IУ=ЕНАС/RM, откуда IНАС=ЕНАС/RM и соответственно ЕНАС= IНАС*RM. У гигантского аксона кальмара RM относительно мало и поэтому ЕНАС тоже невелико (~1 мВ). В некоторых нервных клетках моллюсков, где RM велико (мегаомы), ЕНАС достигает десятка милливольт.

Электрогенный эффект насоса может быть быстро устранен или блокадой мембранной Na, К-АТФазы с помощью сердечных гликозидов (оубаина и др.), или снижением температуры до 5°С, или нарушением выработки АТФ (при действии динитрофенола и цианидов, гипоксии). Концентрационный потенциал при этом не исчезает, а снижается достаточно медленно по мере потери ионных градиентов на мембране. Реальный МПП складывается из ЕКОНЦ и ЕНАС. В миелинизирован-ных нервных волокнах у позвоночных потенциал покоя мембраны перех-вата Ранвье составляет около — 70 мВ (рис. 1.7). Его концентрационный компонент имеет в основном калиевую природу, как и в аксоне кальмара. Электрогенный эффект ионного насоса в нормальной среде здесь близок к нулю и только при повышенной концентрации. К+ снаружи этот эффект усиливается настолько, что может достигнуть 3—4 мВ. Последнее происходит за счет усиления насосного тока.

Функция мембранного потенциала покоя. В самой мембране МПП проявляется как электрическое поле значительной напряженности (105 В/см). Это поле воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную простран-

ственную ориентацию.

Особенно важно то, что электрическое поле МПП обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот (см. разд. 1.1.3). Этим обеспечивается состояние покоя и готовности к возбуждению.

Даже относительно небольшой сброс мембранного потенциала (частичная деполяризация) открывает активационные ворота этих каналов и выводит клетку из состояния покоя, дает начало возбуждению. При возбуждении используется электрическая энергия, накопленная в МПП.

1.1.3. Потенциалы и трансмембранные токи при возбуждении

Потенциал действия. Потенциал действия (ПД), или потенциал возбуждения нервных клеток (волокон), возникает в ответ на достаточное по силе раздражение. Потенциал действия — очень быстрый, кратковременный электрический процесс, поэтому для его регистрации необходим катодный осциллограф с широкополосным усилителем.

Классическое исследование параметров и механизма ПД проделано на гигантском аксоне кальмара с внутриклеточным раздражением и отведением внутриклеточного потенциала (рис. 1.8). В это нервное волокно (диаметром 0,5—1 мм) вводили на всю его длину два тончайших проволочных электрода. Один из них был раздражающим: через него в волокно подавали толчки тока того или иного направления, другой регистрировал электрический потенциал. При подаче короткого и слабого толчка выходящего тока (его направление определяют для положительных зарядов) внутриклеточный электрод регистрировал кратковременное падение МП, по форме и силе соответствующее толчку тока, но со сглаженными передним и задним фронтами, что определяется емкостью мембраны. Это так называемый электротонический потенциал (ЭП).

При подаче несколько более сильного толчка выходящего тока возникает эффект подпорогового раздражения: к электротоническому потенциалу присоединяется дополнительная деполяризация, называемая подпороговым или локальным ответом (ЛО). Локальным он называется потому, что и в экспериментальных, и в естественных условиях этот потенциал не распространяется далеко. При усилении стимула и достижении порога раздражения, т. е. критического уровня деполяризации (КУД), возникает потенциал действия (рис. 1.8). При толчке входящего тока любой величины образуется только электротонический потенциал.

Рис. 1.8. Основные электрофизиологические феномены в нервном волокне:Аэт — анаэлектротон, КУД — критический уровень деполяризации, Кэт — катэлектротон, ЛО — локальный (подпороговый активный) ответ, МПП — мембранный потенциал покоя, ПД — потенциал действия, СП (отр. и пол.) — следовые потенциалы отрицательный и положительный (временные соотношения пика ПД и СП не выдержаны; отрицательный СП и особенно положительный СП значительно длительнее).

В потенциале действия различают пик (спайк) и следовые потенциалы.

Пик ПД представляет собой кратковременную инверсию внутриклеточного потенциала. Он имеет очень быструю S-образную восходящую фазу и несколько более медленный спад. Общая длительность пика в данном объекте составляет около 3 мс;