Общие свойства возбудимых тканей. Критерии оценки возбудимости ткани. Виды раздражителей

Функция – специфическая деятельность органа или системы.

Например, одна из функций желудка – выделение желудочного сока.

Процесс – последовательная смена явлений или состояний (или совокупность последовательных действий), направленных на достижение определенного результата.

Например, процесс пищеварения происходит в желудочно-кишечном тракте. Вместе с тем, отдельные его этапы (механическая, химическая обработка, всасывание) происходят в различных отделах пищеварительного тракта.

Основные этапы развития физиологии:

1) до XVIIв. – первые физиологические знания, основанные на наблюдении

2) вторая половина XVIIв. – научные основы физиологии: Уильям Гарвей положил основу экспериментальной физиологии, первым провел живосечение и острый опыт – кратковременный физиологический опыт с рассечением тканей и наблюдением за процессами. Опыт сопровождается болевыми ощущениями и кровотечением, соответственно невозможностью длительного наблюдения. Гарвей изучал кровообращение.

3) Современный этап – вторая половина XIXв.: введён хронический опыт – длительное наблюдение в условиях приближенных к естественным, требующий хирургической подготовки животных. Работы И.М.Сеченова, И.П.Павлова в этой области были великой заслугой в физиологии и позволили изучить течение многих физиологических процессов в естественных условиях. Сеченов и Павлов разрабатывали учение о механизмах нервной деятельности. Павлова можно считать основателем современной физиологии целостного организма.

Основные черты отечественной физиологии:

1) развитие науки основывалось на диалектическом материализме: 1863г. – Сеченов написал книгу «Рефлексы головного мозга», в которой утверждал, что «все акты сознательной и бессознательной деятельности – рефлексы головного мозга», и что все проявления психической деятельности человека заканчиваются мышечными движениями

2) Эволюционное направление: Орбели – основал эволюционную физиологию. Сравнительная физиология – у организмов разной ступени развития. Представитель – Уголев. Развил теорию функциональных блоков: как только возникает целесообразный механизм, то его развитие прекращается и он переходит на другие уровни организации (например К,Na-АТФ-аза). Аршавский и Анохин рассматривали возрастную физиологию как особый раздел

3) Системный подход: П.К. Анохин разработал учение о функциональной системе – универсальной схеме регуляции физиологических процессов и поведенческих реакций организма. Раздражитель [ полезный результат

4) Нервизм: Павлов, Боткин. Главную роль в нейрогуморальной регуляции играет нервная система

5) Социальная направленность: физиология труда, спорта, авиации и космоса, физиология в медицинских ВУЗ-ах

2. Взаимосвязь физиологии с другими науками. Социальное значение физиологии. Роль её в организации ЗОЖ, значение для клинической медицины, её профилактического направления, формирования врачебного мышления

В основе физиологических процессов лежат законы химии и физики. Соответственно эти науки тесно связаны между собой.

Физиология дала много ответвлений: физиологическая химия, фармакология, патологическая физиология, иммунология, молекулярная биология и др.

Без знания физиологии невозможно изучать весь комплекс медицинских наук. В современной медицине существует два основных направления: лечебное, занимающееся исправлением уже имеющейся патологии в организме человека и профилактическое, занимающееся предупреждением развития тех или иных заболеваний у здорового человека. Основной наукой, организующей профилактическое направление, является гигиена.

Значение физиологии в образовании врача:

- интеграция знаний о жизнедеятельности организма человека

- доврачебная школа клинического мышления: проявление и протекание функций организма, механизмы компенсации нарушений

- формирование научных основ ЗОЖ (здорового образа жизни): рациональное питание, физиология мышечных нагрузок, терморегуляция и влияние различных температур

- формирование научных основ диагностики и лечения: нормы показателей и их интеграция

- научные основы лечения: нормализация физиологических процессов (например артериального давления)

1. Аналитический и системный подход к изучению функций. Функциональные системы организма.

Функциональная система – динамическая саморегулирующаяся организация, все компоненты которой взаимодействуют и обеспечивают получение полезного результата. Анохин – основоположник теории функциональных систем. Судаков – ученик, продолжатель теории.

В организме выделяют функциональные системы. Это понятие было сформулировано академиком П.К.Анохиным (учеником И.П. Павлова). В настоящее время под функциональной системой понимают совокупность физиологических систем, отдельных органов и тканей, взаимодействующих ради получения конечного полезного для организма приспособительного результата. В качестве примера можно привести конечный полезный результат в виде адекватного обеспечения тканей нашего организма кислородом. Для достижения этого результата одновременно функционируют дыхательная система, система кровообращения и система крови (эритроцитарная система). Вот эти три системы и формируют функциональную систему обеспечения организма кислородом! Выделяют и другие функциональные системы.

1) аппарат афферентного синтеза: мотивационное возбуждение (доминанта) – отбор значимых сигналов, обстановочная афферентация, память, пусковая афферентация – безусловные и условные раздражители

2) стадия принятия решения (лобные доли)

3) аппарат акцептора результата действия – в ассоциативной коре, кольцевое взаимодействие вставочных нейронов

4) стадия эфферентного синтеза – создание программы в пирамидных клетках коры

5) поведенческий акт действия, направленный на получение результата

6) стадия обратной афферентации – оценка результата. Возможна коррекция

1. Физиология клетки. Строение и функция биологических мембран. Мембранный потенциал покоя и его происхождение.

Любую живую клетку отличает наличие обмена веществ, свойства раздражимости, а также ионной асимметрии внутренней среды клетки по сравнению с тканевой жидкостью.

Раздражимость - способность клетки или ткани в ответ на действие раздражителя изменять свой обмен веществ, проницаемость поверхностной мембраны, температуру, форму, двигательную активность и т.д.

В покое поверхностная мембрана клетки поляризована, т.е. внутренняя ее поверхность заряжена отрицательно по отношению к наружной. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом покоя (МПП).

МПП клетки изменяется с ее возрастом. У молодой клетки он минимален по амплитуде, возрастает с возрастом и становится стабильным в зрелой клетке, а при ее старении вновь снижается. Во-вторых, МПП клетки может изменяться в связи с изменением ее функционального состояния (энергоресурсы, работа ионных насосов и т.д.), в связи с действием на нее факторов окружающей среды.

Возникновение МПП связано с ионной асимметрией и с разной проницаемостью поверхностной клеточной мембраны для различных ионов

Ионная асимметрия – это разная концентрация различных ионов по обе стороны поверхностной мембраны клетки, которая создается работой ионных насосов. Так, за счет Nа/К-насоса в клетке создается высокая концентрация ионов К⁺ и низкая концентрация ионов Nа⁺ по сравнению с межклеточной жидкостью. В поверхностной мембране есть селективные (специальные для различных ионов) каналы. Но одни каналы закрыты и через них, даже при наличии градиента концентрации, ионы не могут переходить из одной среды в другую, а через открытые каналы переход ионов может осуществляться. Например, натрий может поступать в клетку, а калий выходить из клетки по концентрационному градиенту.

Подавляющее большинство натриевых каналов мембраны закрыты, но незначительная их часть открыта. По этим каналам натрий медленно поступает в клетку, вызывая незначительную деполяризацию поверхностной мембраны. Поэтому открытые в состоянии покоя натриевые каналы иногда называют «медленными», тогда как закрытые называют «быстрыми», потому что если все они откроются, то натрий будет поступать в клетку очень быстро.

Незначительная часть калиевых каналов закрыта, но подавляющее большинство их открыты. Поэтому калий выходит из клетки по градиенту концентраций. Но выход калия из клетки ограничивается электрическим полем, которое создают сами ионы калия. Таким образом, электрохимический градиент между внутренней и наружной поверхностью мембраны клетки, находящейся в состоянии покоя, равен 0.

Основная причина формирования МПП – наличие калиевого градиента. Ионы калия, находящиеся внутри клетки, связаны с органическими анионами. Когда калий выходит из клетки по концентрационному градиенту, отрицательные ионы «стремятся» выйти вслед за ним. Но их размер и заряд (внутренние стенки ионных каналов заряжены отрицательно!) не позволяют им даже войти в канал. Поэтому анионы остаются на внутренней поверхности мембраны, таким образом, удерживая ионы калия на наружной поверхности мембраны. Благодаря этому формируется разность потенциалов. Ионы натрия через медленные натриевые каналы проникают в клетку и тем самым уменьшают величину МПП, созданного ионами калия. В создании МПП принимают участие также ионы хлора, что отражено в уравнении Гольдмана:

ПП= RT/F*ln (PKe*CKe+PNae*CNae+PCli*CCli)/(PKi*CKi+PNai*CNai+PCle*PCle)

А	Б	В
Рис. 9. Следовые потенциалы (выделены пунктиром) А – отрицательный следовой потенциал; Б – положительный следовой потенциал; В – положительный следовой потенциал следует за отрицательным

Какова биологическая роль мембранного потенциала покоя и потенциала действия? Эти потенциалы являются индивидуальными характеристиками возбудимых клеток. У разных клеток они различаются по амплитуде, а ПД и по продолжительности (в целом, а также отдельных его фаз). Их амплитуда меняется на протяжении жизни клетки. У молодой клетки амплитуда их невелика, но с возрастом увеличивается и становится стабильной. При старении клетки их амплитуда вновь уменьшается. Величина МПП косвенно характеризует возбудимость клетки (через пороговый потенциал). С помощью ПД осуществляется кодирование информации в нервной системе. Посредством пространственно-временной совокупности ПД осуществляется рефлекторная (нервная) регуляция физиологических процессов.

Как меняется мембранный потенциал покоя возбудимой клетки при действии на нее допорогового раздражителя? На допороговые раздражители, не превышающие по своей силе 50% от величины порогового раздражителя, клетка не реагирует вообще. Эти раздражители слишком слабы для того, чтобы в ответ на них на поверхностной мембране клетки дополнительно открывались натриевые каналы (рис. 10).

Рис. 10. Изменение МПП возбудимой клетки в ответ на действие допороговых раздражителей разной силы Стрелками 1 и 2 показано действие допороговых раздражителей силой менее 50% от величины порога раздражения (ответной реакции нет); стрелками 3, 4, и 5 показано действие допороговых раздражителей составляющих 50% и более от величины порога раздражения (ткань дает локальный ответ).

На допороговые раздражители, составляющие по своей силе 50% и более от величины порогового раздражителя, в мембране клетки дополнительно открываются закрытые в состоянии покоя натриевые каналы. При этом возникает деполяризация поверхностной мембраны клетки, и она будет тем больше, чем сильнее действующий допороговый раздражитель. Эту деполяризацию обозначают термином «локальный ответ».

Объясните происхождение терминов «локальный» и «градуальный» ответ? Термин «локальный» означает, что возникающая под действием допорогового раздражителя деполяризация носит местный характер и не распространяется на соседние участки. Поэтому иногда употребляют термин «местный» ответ. Термин «градуальный» означает, что эта деполяризация тем больше, чем больше сила допорогового раздражителя («Закон силы раздражителя»). Как изменяется возбудимость клетки при действии на нее раздражителей? Однозначно ответить на этот вопрос нельзя, т.к. при действии разных по силе раздражителей возбудимость ткани изменяется по-разному или вообще не изменяется. Для ответа на этот вопрос следует иметь представление о пороговом потенциале и о причинах, влияющих на его величину. Что называется пороговым потенциалом? Это часть мембранного потенциала покоя (рис.11), на величину которой надо деполяризовать поверхностную мембрану клетки, чтобы достичь критического уровня деполяризации (то есть, чтобы возникло возбуждение).

Рис. 11. Пороговый потенциал разных возбудимых клеток ПП – пороговый потенциал

Как изменится возбудимость клетки при действии на нее допороговых раздражителей? При действии допороговых раздражителей, составляющих менее 50% от величины порога раздражения, возбудимость клетки не изменяется (рис. 12, раздражители 1 и 2), так как не изменяется пороговый потенциал. Исключение составляет постоянный ток, так как катод и анод вызывают пассивные изменения МПП и порогового потенциала

При действии допороговых раздражителей, составляющих 50% и более от величины порога раздражения (рис.12, раздражители 3, 4, и 5), возбудимость клетки всегда повышается, т.к. пороговый потенциал уменьшается. Причем возбудимость будет тем больше, чем больше сила допорогового раздражителя.

Рис. 12. Изменение возбудимости клетки при действии на нее допороговых раздражителей А – изменение величины мембранного потенциала (стрелками (1, 2, 3, 4, 5) показан момент нанесения раздражителей разной силы); Б – изменение возбудимости (N – уровень нормальной возбудимости)

В фазу отрицательного следового потенциала возбудимость будет повышена, так как пороговый потенциал в это время снижен (рис.13Б, г). Напротив, в фазу положительного следового потенциала возбудимость будет снижена, так как пороговый потенциал в это время становится больше, чем в состоянии покоя (рис.13В, г).

А	Б	В
Рис.13. Изменение возбудимости клетки при действии на нее пороговых и сверхпороговых раздражителей В верхнем ряду – потенциалы действия: без следовых потенциалов (А), с отрицательным следовым потенциалом (Б), с положительным следовым потенциалом (В); в нижнем ряду – фазные изменения возбудимости (N – нормальный уровень возбудимости; а, б, в, г – разъяснения см. в тексте)

Каков биологический смысл полной потери возбудимости клетки при ее возбуждении? Благодаря фазе абсолютной рефрактерности один ПД отделяется от другого, не сливаясь с предыдущим. Это обеспечивает возможность кодирования информации, которое осуществляется нервной клеткой для реализации регулирующих влияний на другие возбудимые клетки. Кроме того, благодаря фазе абсолютной рефрактерности, осуществляется одностороннее проведение возбуждения (см. ответ на вопрос 37).

Что называется проводимостью? Способность возбудимой клетки проводить возбуждение по поверхностной клеточной мембране на всем ее протяжении и передавать его на другие возбудимые клетки. Проводимостью обладают поверхностные мембраны нейронов, мышечных и секреторных клеток. Во всех этих структурах она существенно различается (по скорости проведения возбуждения).

Какова причина разной проводимости в различных возбудимых клетках? Скорость проведения возбуждения зависит от плотности расположения натриевых каналов на поверхностной мембране клетки. Чем она больше, тем выше скорость проведения возбуждения. В нервных волокнах на скорость проведения возбуждения существенно влияют его толщина и степень миелинизации. В связи с этим различают волокна типа А, В и С. Например, в волокнах типа Аα (диаметр 12-22 мкм, полностью покрыты миелиновой оболочной) скорость проведения наибольшая – 80-120 м/сек. Эти волокна проводят возбуждение от α-мотонейронов спинного мозга до миоцитов скелетных мышц. В волокнах типа С (диаметр – около 1 мкм, миелиновой оболочки не имеют) скорость проведения возбуждения наименьшая – 0,5-3 м/сек. Такие волокна проводят возбуждение, например, в постганглионарных волокнах вегетативной нервной системы (более подробно этот вопрос изложен в учебнике по нормальной физиологии).

Каков механизм проведения возбуждения? Рассмотрим его на схеме, поясняющей проведение возбуждения по безмиелиновому нервному волокну (рис.14). В точке а на клетку нанесено воздействие пороговым или сверхпороговым раздражителем (обозначено стрелкой), в результате чего поверхностная мембрана в этом месте перезарядилась (возник ПД). В соседнем участке мембраны (обозначим его точкой в) мембрана еще остается поляризованной. Таким образом, на внутренней и наружной поверхности мембраны между точками а и в возникает разность потенциалов, которая сразу же приводит к передвижению ионов между ними, т.е. к возникновению локальных токов (рис.14А). Рассмотрим направление этих локальных токов в отношении положительно заряженных ионов (катионов). По наружной поверхности они движутся из точки в в точку а, а по внутренней поверхности – наоборот из точки а в точку в. За счет этих токов (достаточно сильных) в точке в возникает деполяризация поверхностной мембраны. Причем эта деполяризация достигает критического уровня и в точке в возникает ПД.

Рис. 14. Механизм проведения возбуждения по мембране возбудимой клетки. А – возбуждение возникает в точке а под действием достаточного по силе раздражителя и распространяется к точке в; Б – возбуждение из точки в переходит в точку с

В то же самое время в точке а (рис. 14Б) нервное волокно находится в состоянии рефрактерности, связанной с ПД. Эта рефрактерность не позволяет возбуждению передвигаться из точки в назад в точку а, так как локальные токи не могут вызвать в точке а критический уровень деполяризации. Вместе с тем, локальные токи, протекающие между точками в и с, вызывают в точке с деполяризацию до КУД и возникновение потенциала действия. Таким же образом возбуждение передвигается по поверхностной мембране и дальше из точки с и движется в одном направлении. Следует иметь в виду, что возбуждение, возникшее первоначально в точке а, движется не только вправо к точке в, но и влево к точке в₁ и далее с₁ и т.д.