Подразливість - це загальна властивість тканин реагувати на різні подразники.
Збудливість - більш вузьке поняття, яке характеризує властивість тканин порушуватися у відповідь на дію подразника. Тканини, що володіють цією властивістю, називаються збудливими. Виявляється збудження виникненням потенціалу дії. В основі порушення лежать складні фізико-хімічні процеси. Початковий пусковий момент порушення - зміни іонної проникності і електричних потенціалів мембрани. Збудливі тканини мають ряд властивостей: подразливість - здатність тканин сприймати роздратування, збудливість - здатність тканин реагувати збудженням на подразнення, провідність - здатність поширювати збудження, лабільність - швидкість протікання елементарних циклів збудження. Лабільність відображає час, протягом якого тканину відновлює працездатність після чергового циклу збудження. Поріг роздратування (в фізіології нервових і м'язових клітин), найменша сила подразника (зазвичай електричного струму), здатна викликати поширюється потенціал дії
Методи вивчення описаних явищ різноманітні. Так, про збудливості можна судити за найменшою силі подразника, необхідної для виникнення тієї чи іншої рефлекторної реакції або по порогової силі струму або пороговому зрушенню потенціалу, достатнім для виникнення ПД. Тут необхідно ввести такі поняття, як реобаза і хронаксия. Реобаза (від грец. Rheos - течія, потік і basis - хід, рух, адже основа), найменша сила постійного електричного струму, що викликає при достатній тривалості його дії збудження в живих тканинах. Поняття реобази і хронаксіі ввів у фізіологію Л. Лапик в 1909, визначаючи залежність між силою струму і тривалістю його дії при вивченні найменшого (порогового) ефекту збудливих тканин. Реобаза, як і хронаксия, дає уявлення про збудливості тканин і органів по порогу сили і тривалості дії роздратування. Реобаза відповідає порогу подразнення і виражається в вольтах або міліампер. Значення реобази можна обчислити за формулою: i = a / t + b, де i - сила струму, t - тривалість його дії, а й b - константи, які визначаються властивостями тканини. Константа b є Р. так як при тривалій дії дратівної струму ставлення a / t буде дуже мало і i практично дорівнює b. Р. нерідко називаються порогові значення не тільки електричних, але й інших подразників. Хронаксія (від грец. Chronos - час і axia - ціна, міра), найменший час дії на тканину постійного електричного струму подвоєною порогової сили (подвоєною реобази), що викликає збудження тканини. Було також експериментально встановлено (голландський фізик Л. Горвег, 1892, французький фізіолог Ж. Вейс, 1901), що величина стимулу, що викликає збудливий ефект в тканинах, знаходиться в зворотній залежності від тривалості його дії і графічно виражається гіперболою - крива <сила - время. Минимальная сила тока, которая при неограниченно долгом действии вызывает эффект возбуждения (реобаза), соответствует на рисунке отрезку OA (BC). Наименьшее т. н. полезное время действия порогового раздража
ючої стимулу відповідає відрізку OC (корисне тому, що подальше збільшення часу дії струму не має значення для виникнення потенціалу дії). При короткочасних подразненнях крива сили - часу стає паралельної осі ординат, т. Е. Порушення не виникає при будь-якій силі подразника. Наближення кривої асимптотично до лінії, паралельної абсциссе, не дозволяє досить точно визначати корисний час, тому що незначні відхилення реобази, що відображають зміни функціонального стану біологічних мембран в спокої, супроводжуються значними коливаннями часу роздратування. У зв'язку з цим Лапик запропонував вимірювати іншу умовну величину - хронаксіі, т. Е. Час дії подразника, рівне подвійний реобазе [на малюнку відповідає відрізку OD (EF)]. Застосовується для розрахунку подразника найменший час його дії, при якому можливий пороговий ефект, так само OF. Встановлено, що форма кривої, що характеризує збудливість тканини залежно від інтенсивності і тривалості дії подразника, однотипна для найрізноманітніших тканин. Відмінності між ними стосуються лише абсолютного значення відповідних величин і, перш за все, часу, т. Е. Збудливі тканини відрізняються один від одного тимчасової константою роздратування. Лабільність можна виміряти, дратуючи тканину електричним струмом різної частоти. Момент, коли тканина відбудеться перетворення ритму (тканина перестане відтворювати заданий ритм без змін) і буде лабільністю даної тканини. Одиниці її вимірювання - кількість відтворюваних імпульсів за одиницю часу [імп. / Сек. (Хв.), І т. Д.]. Провідність можна охарактеризувати відстанню, подоланим імпульсом за одиницю часу, тобто швидкістю поширення імпульсу.
Потенціал спокою. Потенціал дії.
Потенціал спокою (ПП) - різниця потенціалів між вмістом клітини (волокна) і позаклітинної рідиною; стрибок потенціалу локалізується на поверхневій мембрані, при цьому її, внутрішня сторона заряджена електронегативно по відношенню до зовнішньої. Потенціал спокою обумовлений нерівністю концентрацій, іонів Na +, К + і Cl- по обидва боки клітинної мембрани і неоднаковою її проникність для цих іонів. У нервових і м'язових клітинах потенціал спокою бере участь в підтримці стану готовності молекулярної структури мембрани до порушення у відповідь на дію подразника. Всі дії на клітину, що викликають тривалий стійке зниження потенціалу спокою. (Наприклад, порушення обміну речовин, підвищення позаклітинного змісту іонів К +, дію сильного електричного струму і т.д.), ведуть до зниження збудливості клітини або до повної втрати нею здатності до генерації потенціалів дії. У живих клітин в спокої між внутрішнім вмістом клітини і зовнішнім розчином існує різниця потенціалів (ПП) порядку 60-90мв, яка локалізована на поверхневій мембрані. Внутрішня сторона мембрани заряджена електронегативно по відношенню до зовнішньої.
Концентрація К + в протоплазмі приблизно в 50 разів вище, ніж у позаклітинній рідині, тому, дифундує з клітки, іони виносять на зовнішню сторону мембрани позитивні заряди, при цьому внутрішня сторона мембрани, практично не проникною для великих органічних аніонів, набуває негативний потенціал. Оскільки проникність мембрани в спокої для Na + приблизно в 100 разів нижче, ніж для К +, дифузія натрію з позаклітинної рідини (де він є основним катіоном) в протоплазму мала і лише незначно знижує ПП, обумовлений іонами К +. У скелетних м'язових волокнах у виникненні потенціалу спокою важливу роль відіграють також іони Cl-, диффундирующие всередину клітини. Наслідком ПП є струм спокою, реєстрований між пошкодженою і інтактним ділянками нерва або м'язи при додатку, що відводять. Мембрани нервових і м'язових клітин (волокон) здатні змінювати іонну проникність у відповідь на зрушення мембранного потенціалу. При збільшенні ПП (гиперполяризация мембрани) проникність поверхневих клітинних мембран для Na + і К + падає, а при зменшенні ПП (деполяризація) вона зростає, причому швидкість змін проникності для Na + значно перевищує швидкість збільшення проникності мембрани для К +. Нерівність концентрацій іонів К + і Na + (або Ca +) всередині і зовні клітини (волокна) підтримується спеціальним механізмом (т. Зв. <натриевым насосом), выталкивающим ионы Na+ из клетки и нагнетающим ионы К+ в протоплазму, требующим затраты энергии, которая черпается клеткой в процессах обмена веществ. Работа таких механизмов обеспечивается, как правило, энергией, выделяемой при расщеплении аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ); таким образом, ионные насосы одновременно выполняют функцию ферментов, расщепляющих АТФ и называемых АТФ-азами. Активный перенос Na+ из клетки сопряжён с транспортом К+ в обратном направлении и осуществляется особой ферментной системой - транспортной Na, К, - стимулируемой аденозинтрифосфатазой, локализованной в клеточной мембране. Последняя, гидролизуя аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), высвобождает энергию, которая и затрачивается на активный перенос катионов. Работа насоса в целом зависит от уровня метаболизма клетки.
Потенціал дії (ПД). Всі подразники, що діють на клітину, викликають в першу чергу зниження ПП; коли воно досягає критичного значення (порогу), виникає активний поширюється відповідь - ПД. Під час висхідної фази ПД короткочасно перекручується потенціал на мембрані: її внутрішня сторона, заряджена в спокої електронегативно, набуває в цей час позитивний потенціал. Досягнувши вершини, ПД починає падати (спадна фаза ПД), і потенціал на мембрані повертається до рівня, близького до початкового, - ПП. Повне відновлення ПП відбувається тільки після закінчення слідових коливань потенціалу - слідової деполяризації або гіперполяризації, тривалість яких зазвичай значно перевершує тривалість піку ПД. Згідно мембранної теорії, деполяризація мембрани, викликана дією подразника, приводить до посилення потоку Na + всередину клітини, що зменшує негативний потенціал внутрішньої сторони мембрани - підсилює її деполяризацію. Це, в свою чергу, викликає подальше підвищення проникності для Na + і нове посилення деполяризації і т.д. В результаті такого вибухового кругового процесу, т. Н. регенеративної деполяризації, відбувається перекручення мембранного потенціалу, характерне для ПД. Підвищення проникності для Na + дуже короткочасно і змінюється її падінням (рис. 3), а отже, зменшенням потоку Na + всередину клітини. Проникність для К +, на відміну від проникності для Na +, продовжує збільшуватися, що призводить до посилення потоку К + з клітини. В результаті цих змін ПД починає падати, що веде до відновлення ПП. Такий механізм генерації ПД в більшості збудливих тканин. Існують, однак, клітини (м'язові волокна ракоподібних, нервові клітини у ряду черевоногих молюсків, деякі рослинні клітини), у яких висхідна фаза ПД обумовлена підвищенням проникності мембрани не для іонів Na +, а для іонів Ca +. Своєрідний також механізм генерації ПД в м'язових волокнах серця, для яких характерне тривале плато на низхідній фазі ПД.
Іонні механізми потенціалу дії.
У нервових волокнах висхідна фаза ПД пов'язана з активацією т. Н. швидких натрієвих каналів (БНК), а спадна фаза - з інактивацією БНК і активацією калієвих каналів (КК). На такому ж механізмі заснована генерація ПД в волокнах скелетних м'язів хребетних. В м'язових волокнах серця активація БНК забезпечує лише початковий підйом ПД Характерне ж для цих волокон плато ПД пов'язано з активированием повільних натрій-кальцієвих каналів (МНК).
Вивчення фізико-хімічних властивостей іонних каналів важливо не тільки для розшифровки їх молекулярної структури, а й для розробки методів управління генерацією ПД в різних клітинах. Встановлено, що БНК специфічно блокуються тетродотоксином (отрутою японської риби-куля і каліфорнійських саламандр), а також новокаїном, кокаїном і ін. Місцевими анестезуючими засобами. МНК і МКК до цих агентам нечутливі, але блокуються іонами Mn2 +, Со2 +, Ni2 +, La3 + і органічними сполуками - ізоптіном (використовуваним в кардіологічній практиці) і його дериватом Д-600. Більшість КК ефективно блокується тетраетіламмоніем. Пусковий вплив ПД на такі внутрішньоклітинні процеси, як скорочення міофібрил (в скелетних, гладких і серцевої м'язах), Нейросекреція (в деяких спеціалізованих нейронах і нервових закінченнях) і т.д. здійснюється в результаті прямого впливу електричного імпульсу; на внутрішньоклітинні структури (викид) іонів Ca2 + з саркоплазматической мережі м'язи) і впливу на ці структури іонів Ca2 +, проникаючих всередину клітини під час ПД.
Зміна збудливості тканини при її порушенні.
Фазові коливання потенціалу дії впливають на збудливість клітини. Зміни збудливості також мають фазовий характер і знаходяться в тісному взаємозв'язку з ПД.
Максимальна збудливість клітини відповідає фазі ПП. Розглянемо Схему співвідношення ПД і збудливості. При деполяризації мембрани збудливість підвищується (фаза латентного доповнення) (1). Після досягнення мембранним потенціалом критичного рівня деполяризації відбувається овершут. У цей момент збудливість практично миттєво падає до нуля. Це - фаза абсолютної рефрактерності (2). Жоден імпульс, який прийшов в цю фазу не здатний порушити клітку. У міру відновлення мембранного потенціалу (реполяризації) відновлюється і збудливість (фаза відносної рефрактерності) (3). У цю фазу надпороговие подразники здатні порушити клітку. Ця фаза обумовлена підвищенням проникності мембрани для іонів K +, який виходить з цитоплазми, знижуючи заряд мембрани всередині клітини. У фазу слідової деполяризації збудливість кілька перевищує нормальну - фаза екзальтації (4). Однак, оскільки K + - канали повільні, то калій виходить з клітки навіть у кілька надмірній кількості, що веде до виникнення гіперполяризації. Збудливість при цьому дещо знижується (фаза субнормальной збудливості) (5). Після цього мембранний потенціал приходить до початкового значення, відновлюється і збудливість (6).