zanati

Električna heterogenost srca. Kontraktilnost miokarda. fiziologija. Kritični nivo depolarizacije Regenerativna depolarizacija

Električni impuls koji se širi kroz srce i započinje svaki ciklus kontrakcija naziva se akcioni potencijal; to je val kratkotrajne depolarizacije, tokom kojeg unutarćelijski potencijal naizmjenično u svakoj ćeliji kratko vrijeme postaje pozitivan, a zatim se vraća na prvobitni negativan nivo. Promjene normalnog srčanog akcionog potencijala imaju karakterističan razvoj tokom vremena, koji se radi pogodnosti dijeli na sljedeće faze: faza 0 - početna brza depolarizacija membrane; faza 1 - brza, ali nepotpuna repolarizacija; faza 2 - "plato", ili produžena depolarizacija, karakteristična za akcioni potencijal srčanih ćelija; faza 3 - konačna brza repolarizacija; faza 4 - period dijastole.

Kod akcionog potencijala, intracelularni potencijal postaje pozitivan, budući da pobuđena membrana privremeno postaje propusnija za Na+ (u poređenju s K+) , stoga se membranski potencijal neko vrijeme približava po veličini ravnotežnom potencijalu natrijum jona (E Na) - E Na može se odrediti pomoću Nernstovog omjera; pri ekstracelularnim i intracelularnim koncentracijama Na + 150 i 10 mM, respektivno, bit će:

Međutim, povećana permeabilnost za Na+ traje samo kratko, tako da membranski potencijal ne dostigne E Na i nakon završetka akcionog potencijala se vraća na nivo mirovanja.

Navedene promjene permeabilnosti, koje uzrokuju razvoj faze depolarizacije akcionog potencijala, nastaju zbog otvaranja i zatvaranja posebnih membranskih kanala, odnosno pora, kroz koje lako prolaze joni natrija. Smatra se da rad "kapije" reguliše otvaranje i zatvaranje pojedinačnih kanala, koji mogu postojati u najmanje tri konformacije - "otvorena", "zatvorena" i "inaktivirana". Jedna kapija koja odgovara aktivacionoj varijabli " m” u opisu Hodgkin - Huxley, fluksevi natrijevih jona u membrani aksona divovske lignje brzo se kreću, otvarajući kanal kada se membrana naglo depolarizira pod utjecajem stimulusa. Ostala vrata koja odgovaraju varijabli inaktivacije " h” u opisu Hodgkin-Huxley, oni se kreću sporije tokom depolarizacije, a njihova funkcija je da zatvore kanal (slika 3.3). I stabilna distribucija kapija unutar sistema kanala i brzina njihovog prelaska iz jedne pozicije u drugu zavise od nivoa membranski potencijal. Stoga se termini "ovisni o vremenu" i "potencijalno ovisni" koriste za opisivanje provodljivosti Na+ membrane.

Ako se membrana u mirovanju iznenada depolarizira na nivo pozitivnog potencijala (na primjer, u eksperimentu stezanja potencijala), aktivaciona kapija će brzo promijeniti položaj kako bi otvorila natrijumske kanale, a zatim će ih inaktivacijska kapija polako zatvoriti (slika 3.3. ). Riječ "sporo" ovdje znači da deaktivacija traje nekoliko milisekundi, dok se aktivacija događa u djeliću milisekundi. Kapije ostaju u ovim položajima sve dok se potencijal membrane ponovo ne promijeni, a da bi se sve kapije vratile u prvobitno stanje mirovanja, membrana mora biti potpuno repolarizirana na visoki nivo negativnog potencijala. Ako se membrana repolarizira samo do niskog nivoa negativnog potencijala, tada će neka od inaktivacijskih kapija ostati zatvorena i maksimalni broj dostupnih natrijevih kanala koji se mogu otvoriti nakon naknadne depolarizacije će se smanjiti. (Električna aktivnost srčanih ćelija u kojima su natrijumski kanali potpuno inaktivirani biće razmotrena u nastavku.) Potpuna repolarizacija membrane na kraju normalnog akcionog potencijala osigurava da se sve kapije vrate u prvobitno stanje i da su stoga spremne za sledeći akcioni potencijal.

Rice. 3.3. Šematski prikaz membranskih kanala za dolazne jonske tokove u potencijalu mirovanja, kao i tokom aktivacije i inaktivacije.

Na lijevoj strani, prikazana je sekvenca stanja kanala pri normalnom potencijalu mirovanja od -90 mV. U mirovanju, kapije inaktivacije i Na + kanala (h) i sporog Ca 2+ /Na + kanala (f) su otvorene. Prilikom aktivacije nakon ekscitacije ćelije otvara se t-kapija Na+ kanala i dolazni tok Na+ jona depolarizira ćeliju, što dovodi do povećanja akcionog potencijala (grafikon ispod). H-kapija se tada zatvara, čime se inaktivira Na+ provodljivost. Kako akcioni potencijal raste, membranski potencijal prelazi pozitivniji prag potencijala sporog kanala; istovremeno se otvaraju njihova aktivaciona kapija (d) i ioni Ca 2+ i Na+ ulaze u ćeliju, izazivajući razvoj faze platoa akcionog potencijala. Gate f, koji inaktivira Ca 2+ /Na + kanale, zatvara se mnogo sporije od kapije h, koja inaktivira Na kanale. Centralni fragment pokazuje ponašanje kanala kada potencijal mirovanja padne na manje od -60 mV. Većina kapija inaktivacije Na-kanala ostaje zatvorena sve dok je membrana depolarizovana; dolazni tok Na+ koji nastaje stimulacijom ćelije je premali da izazove razvoj akcionog potencijala. Međutim, inaktivaciona kapija (f) sporih kanala se ne zatvara, i, kao što je prikazano u fragmentu desno, ako je ćelija dovoljno uzbuđena da otvori spore kanale i pusti da polako dolazeći ion teče kroz njih, odgovor će biti spor. moguć razvoj akcionog potencijala.

Rice. 3.4. Prag potencijala tokom ekscitacije srčane ćelije.

Na lijevoj strani, akcioni potencijal koji se javlja na nivou potencijala mirovanja od -90 mV; ovo se događa kada je stanica uzbuđena dolaznim impulsom ili nekim podpražnim stimulusom koji brzo snižava membranski potencijal na vrijednosti ispod nivoa praga od -65 mV. Na desnoj strani, efekti dva podpraga i praga stimulusa. Podpražni stimulansi (a i b) ne dovode do smanjenja membranskog potencijala do nivoa praga; stoga se ne javlja akcioni potencijal. Podražaj praga (c) snižava membranski potencijal tačno do nivoa praga, na kojem tada nastaje akcijski potencijal.

Brza depolarizacija na početku akcionog potencijala uzrokovana je snažnim prilivom jona natrijuma koji ulaze u ćeliju (što odgovara gradijentu njihovog elektrohemijskog potencijala) kroz otvorene natrijumove kanale. Međutim, prije svega, moraju se efikasno otvoriti natrijumski kanali, što zahtijeva brzu depolarizaciju dovoljno velike površine membrane do potrebnog nivoa, nazvanog graničnim potencijalom (slika 3.4). U eksperimentu se to može postići propuštanjem struje iz vanjskog izvora kroz membranu i korištenjem ekstracelularne ili intracelularne stimulirajuće elektrode. U prirodnim uvjetima, lokalne struje koje teku kroz membranu neposredno prije širenja akcijskog potencijala služe istoj svrsi. Na graničnom potencijalu otvoren je dovoljan broj natrijumovih kanala, što obezbeđuje potrebnu amplitudu dolazne natrijeve struje i, posljedično, daljnju depolarizaciju membrane; zauzvrat, depolarizacija uzrokuje otvaranje više kanala, što rezultira povećanjem dolaznog fluksa jona, tako da proces depolarizacije postaje regenerativan. Brzina regenerativne depolarizacije (ili porasta akcijskog potencijala) ovisi o jačini dolazne natrijeve struje, koja je zauzvrat određena faktorima kao što su veličina gradijenta elektrohemijskog potencijala Na + i broj dostupnih (ili neinaktiviranih) natrijumski kanali. Kod Purkinjeovih vlakana maksimalna brzina depolarizacije tokom razvoja akcionog potencijala, označena kao dV/dt max ili V max , dostiže približno 500 V/s, a ako bi se ova brzina održavala tokom cijele faze depolarizacije od -90 mV do +30 mV, tada bi potencijal promjene na 120 mV trajao oko 0,25 ms. Maksimalna brzina depolarizacije vlakana radnog miokarda ventrikula je približno 200 V/s, a mišićnih vlakana atrija od 100 do 200 V/s. (Faza depolarizacije akcionog potencijala u ćelijama sinusnih i atrioventrikularnih čvorova značajno se razlikuje od one koja je upravo opisana i o njoj će se posebno raspravljati; vidi dolje.)

Akcioni potencijali sa tako visokom stopom porasta (koje se često nazivaju "brzi odgovori") brzo putuju kroz srce. Brzina širenja akcionog potencijala (kao i Vmax) u ćelijama sa istim kapacitetom membrane i karakteristikama aksijalnog otpora određena je uglavnom amplitudom unutrašnje struje koja teče tokom faze rasta akcionog potencijala. To je zbog činjenice da lokalne struje koje prolaze kroz ćelije neposredno prije akcionog potencijala imaju veću vrijednost sa bržim porastom potencijala, pa membranski potencijal u tim stanicama prije dostiže granični nivo nego u slučaju struja manja vrijednost (vidi sliku 3.4) . Naravno, te lokalne struje teku stanične membrane i odmah nakon prolaska propagirajućeg akcionog potencijala, ali više nisu u stanju da pobuđuju membranu zbog njene refraktornosti.

Rice. 3.5. Normalni akcioni potencijal i odgovori izazvani podražajima u različitim fazama repolarizacije.

Amplituda i povećanje brzine odgovora izazvanih tokom repolarizacije zavise od nivoa membranskog potencijala na kojem se javljaju. Najraniji odgovori (a i b) javljaju se na tako niskom nivou da su preslabi i nesposobni za širenje (postepeni ili lokalni odgovori). "c" odgovor je najraniji od propagirajućih akcionih potencijala, ali je njegovo širenje sporo zbog blagog povećanja brzine kao i niske amplitude. “d” odgovor se pojavljuje neposredno prije potpune repolarizacije, njegova brzina povećanja i amplituda su veće nego kod “c” odgovora, budući da se javlja pri višem membranskom potencijalu; međutim, njegova brzina širenja postaje niža od normalne. Odgovor "d" se bilježi nakon potpune repolarizacije, tako da su njegova amplituda i stopa depolarizacije normalne; stoga se brzo širi. PP - potencijal mirovanja.

Dug refraktorni period nakon ekscitacije srčanih ćelija je zbog dugog trajanja akcionog potencijala i naponske zavisnosti mehanizma kapije natrijumovog kanala. Nakon faze porasta akcionog potencijala slijedi period od stotina do nekoliko stotina milisekundi tokom kojeg nema regenerativnog odgovora na ponovljeni stimulus (slika 3.5). Ovo je takozvani apsolutni, ili efektivni, refraktorni period; obično pokriva plato (faza 2) akcionog potencijala. Kao što je gore opisano, natrijumski kanali se inaktiviraju i ostaju zatvoreni tokom ove trajne depolarizacije. Tokom repolarizacije akcionog potencijala (faza 3), inaktivacija se postepeno eliminiše, tako da se udio kanala koji se mogu ponovo aktivirati stalno povećava. Stoga se samo mali priliv natrijevih jona može inducirati stimulusom na početku repolarizacije, ali kako se repolarizacija akcionog potencijala nastavi, takvi fluksovi će se povećavati. Ako neki od natrijevih kanala ostanu neekscitabilni, onda inducirani dotok Na + može dovesti do regenerativne depolarizacije i stoga akcionog potencijala. Međutim, brzina depolarizacije, a time i brzina propagacije akcionih potencijala, značajno se smanjuje (vidi sliku 3.5) i normalizuje se tek nakon potpune repolarizacije. Vreme tokom kojeg je ponovljeni stimulans u stanju da izazove takve "postepene" akcione potencijale naziva se relativni refraktorni period. Naponsku ovisnost eliminacije inaktivacije proučavao je Weidmann, koji je otkrio da su brzina porasta akcionog potencijala i mogući nivo na kojem se ovaj potencijal evocira u odnosu u obliku slova S, poznatom i kao kriva membranske reaktivnosti.

Niska stopa porasta akcionih potencijala izazvana tokom relativnog refraktornog perioda uzrokuje njihovo sporo širenje; takvi akcioni potencijali mogu uzrokovati neke poremećaje provodljivosti, kao što su kašnjenje, raspadanje i blokiranje, pa čak mogu uzrokovati cirkulaciju ekscitacije. O ovim fenomenima se govori kasnije u ovom poglavlju.

U normalnim srčanim ćelijama, unutrašnja natrijumova struja odgovorna za brzi porast akcionog potencijala je praćena drugom unutrašnjom strujom koja je manja i sporija od struje natrijuma, za koju se čini da se prvenstveno prenosi jonima kalcijuma. Ova struja se obično naziva "sporom unutrašnjom strujom" (iako je to samo u poređenju sa brzom natrijumskom strujom; druge važne promene, poput onih koje se vide tokom repolarizacije, verovatno će biti usporene); teče kroz kanale koji su, prema njihovim karakteristikama provodljivosti zavisnim od vremena i napona, nazvani "spori kanali" (vidi sliku 3.3). Prag aktivacije za ovu provodljivost (tj. kada se aktivaciona kapija počne otvarati - d) je između -30 i -40 mV (uporedite -60 do -70 mV za natrijumsku provodljivost). Regenerativna depolarizacija zbog brze natrijeve struje obično aktivira provođenje spore dolazeće struje, tako da u kasnijem periodu porasta akcionog potencijala struja teče kroz oba tipa kanala. Međutim, struja Ca 2+ je mnogo manja od maksimalne brze Na + struje, tako da je njen doprinos akcijskom potencijalu vrlo mali sve dok brza Na + struja ne postane dovoljno inaktivirana (tj. nakon početnog brzog povećanja potencijala). Kako se spora dolazna struja može inaktivirati samo vrlo sporo, ona uglavnom doprinosi plato fazi akcionog potencijala. Dakle, nivo platoa se pomera ka depolarizaciji, kada se gradijent elektrohemijskog potencijala za Ca 2+ povećava sa povećanjem koncentracije [Ca 2+ ] 0 ; smanjenje [Ca 2+ ] 0 uzrokuje pomak nivoa platoa u suprotnom smjeru. Međutim, u nekim slučajevima može se uočiti doprinos struje kalcijuma fazi porasta akcionog potencijala. Na primjer, krivulja porasta akcionog potencijala u miokardnim vlaknima komore žabe ponekad pokazuje pregib oko 0 mV, na mjestu gdje početna brza depolarizacija ustupa mjesto sporijoj depolarizaciji koja se nastavlja sve dok ne pređe vrh akcionog potencijala. . Kao što je pokazano, stopa sporije depolarizacije i veličina prekoračenja rastu sa povećanjem [Ca 2+ ] 0 .

Osim različite ovisnosti o membranskom potencijalu i vremenu, ove dvije vrste provodljivosti razlikuju se i po farmakološkim karakteristikama. Dakle, struja kroz brze kanale za Na+ opada pod uticajem tetrodotoksina (TTX), dok na sporu struju Ca 2+ ne utiče TTX, već se povećava pod dejstvom kateholamina i inhibira je jonima mangana, kao i nekim lijekovima, kao što su verapamil i D-600. Čini se vrlo vjerojatnim (barem u žabljem srcu) da većina kalcijuma potrebnog za aktiviranje proteina koji doprinose svakom otkucaju srca ulazi u ćeliju tokom akcionog potencijala kroz spori kanal za dolaznu struju. Kod sisara, dostupni dodatni izvor Ca 2+ za srčane ćelije su njegove rezerve u sarkoplazmatskom retikulumu.

U predmetnom slučaju imamo koncentraciju pozitivnih naboja na jednoj strani membrane i koncentraciju negativnih na drugoj strani membrane, odnosno možemo govoriti o polariziranoj membrani.

Međutim, u svakom slučaju, kada dođe do razdvajanja naboja, odmah nastaje električni potencijal. Potencijal je mjera sile koja nastoji spojiti odvojene naboje i eliminirati polarizaciju. Električni potencijal se stoga naziva i elektromotorna sila, što je skraćeno EMF.

Električni potencijal se naziva potencijalnim upravo zato što zapravo ne pokreće naboje, jer postoji suprotna sila koja sprečava približavanje suprotnih električnih naboja. Ova sila će postojati sve dok se energija troši na njeno održavanje (što se dešava u ćelijama). Dakle, sila koja nastoji da približi naboje ima samo sposobnost, ili potenciju, da to učini, a takva konvergencija se događa samo kada energija utrošena na razdvajanje naboja oslabi. Električni potencijal se mjeri u jedinicama koje se nazivaju volti, po Voltu, čovjeku koji je stvorio prvu električnu bateriju na svijetu.

Fizičari su uspjeli izmjeriti električni potencijal koji postoji između dvije strane ćelijske membrane. Ispostavilo se da je jednako 0,07 volti. Takođe možemo reći da je ovaj potencijal jednak 70 milivolti, jer je milivolt jednak hiljaditom dijelu volta. Naravno, ovo je vrlo mali potencijal u poređenju sa 120 volti (120.000 milivolti) mrežnog napona. naizmjenična struja ili u poređenju sa hiljadama volti napona u dalekovodima. Ali to je i dalje neverovatan potencijal, s obzirom na materijale koje ćelija ima na raspolaganju za izgradnju električnih sistema.

Svaki razlog koji prekida rad natrijeve pumpe dovest će do naglog izjednačavanja koncentracija natrijevih i kalijevih jona na obje strane membrane. Ovo će zauzvrat automatski izjednačiti naboje. Tako će membrana postati depolarizirana. Naravno, to se dešava kada je ćelija oštećena ili ubijena. Ali postoje, međutim, tri vrste podražaja koji mogu izazvati depolarizaciju, a da ne nanose štetu stanici (osim ako, naravno, ovi podražaji nisu prejaki). Ove lampe uključuju mehaničke, hemijske i električne.

Pritisak je primjer mehaničkog stimulusa. Pritisak na dio membrane dovodi do ekspanzije i (iz još nepoznatih razloga) izaziva depolarizaciju na ovom mjestu. Toplina uzrokuje širenje membrane, hladnoća je skuplja, a ove mehaničke promjene također uzrokuju depolarizaciju.

Utjecaj na membranu određenih kemijskih spojeva i utjecaj na nju slabih električnih struja dovodi do istog rezultata.

(U potonjem slučaju, čini se da je uzrok depolarizacije najočigledniji. Uostalom, zašto se električni fenomen polarizacije ne može promijeniti vanjskim primijenjenim električnim potencijalom?)

Depolarizacija koja je nastala na jednom mjestu membrane služi kao stimulans za širenje depolarizacije preko membrane. Natrijum jon, koji je uletio u ćeliju na mestu gde je došlo do depolarizacije i gde je natrijumova pumpa prestala, istiskuje kalijumov jon. Joni natrija su manji i pokretljiviji od jona kalija. Prema tome, više jona natrijuma ulazi u ćeliju nego što iona kalija iz nje izlazi. Kao rezultat, kriva depolarizacije prelazi nultu oznaku i raste više. Ćelija je ponovo polarizovana, ali sa suprotnim predznakom. U nekom trenutku, baklja dobija unutrašnji pozitivni naboj zbog prisustva viška natrijumovih jona u njemu. Na vanjskoj strani membrane pojavljuje se mali negativni naboj.

Suprotno usmjerena polarizacija može poslužiti kao električni stimulus koji paralizira natrijevu pumpu u područjima koja su susjedna mjestu izvornog stimulusa. Ova susjedna područja su polarizirana, zatim dolazi do polarizacije sa suprotnim predznakom i depolarizacija se javlja u udaljenijim područjima. Tako se talas depolarizacije kotrlja preko cijele membrane. U početnom dijelu, polarizacija suprotnog predznaka ne može se nastaviti dugo vremena. Kalijum joni nastavljaju da napuštaju ćeliju, postepeno se njihov tok izjednačava sa protokom dolaznih jona natrijuma. Pozitivni naboj unutar ćelije nestaje. Ovaj nestanak reverznog potencijala u određenoj mjeri reaktivira natrijumovu pumpu u toj tački u membrani. Ioni natrija počinju napuštati ćeliju, a kalijevi ioni počinju prodirati u nju. Ovaj dio membrane ulazi u fazu repolarizacije. Budući da se ovi događaji dešavaju u svim područjima depolarizacije membrane, val repolarizacije prolazi kroz membranu slijedeći val depolarizacije.

Između trenutaka depolarizacije i potpune repolarizacije, membrane ne reaguju na normalne podražaje. Ovaj vremenski period naziva se refraktorni period. Traje vrlo kratko, mali djelić sekunde. Talas depolarizacije koji je prošao kroz određeni dio membrane čini ovaj dio imunim na ekscitaciju. Prethodni stimulans postaje, u određenom smislu, singularan i izolovan. Kako tačno najmanje promjene naelektrisanja uključene u depolarizaciju ostvaruju takav odgovor nije poznato, ali ostaje činjenica da je odgovor membrane na podražaj izoliran i jedinstven. Ako se mišić stimulira na jednom mjestu malim električnim pražnjenjem, mišić će se kontrahirati. Ali neće se smanjiti samo područje na koje je primijenjena električna stimulacija; cjelokupno mišićno vlakno će biti smanjeno. Talas depolarizacije putuje duž mišićnog vlakna brzinom od 0,5 do 3 metra u sekundi, ovisno o dužini vlakna, i ta brzina je dovoljna da se dobije utisak da se mišić kontrahira kao cjelina.

Ovaj fenomen polarizacije-depolarizacije-repolarizacije svojstven je svim ćelijama, ali je u nekima izraženiji. U procesu evolucije pojavile su se ćelije koje su imale koristi od ovog fenomena. Ova specijalizacija može ići u dva smjera. Prvo, a to se dešava vrlo rijetko, mogu se razviti organi koji su sposobni stvoriti visoke električne potencijale. Kada je stimulirana, depolarizacija se ne ostvaruje kontrakcijom mišića ili drugim fiziološkim odgovorom, već pojavom električne struje. Ovo nije gubljenje energije. Ako je stimulans napad neprijatelja, tada ga električno pražnjenje može ozlijediti ili ubiti.

Postoji sedam vrsta riba (neke od njih su koštane, neke su hrskavičaste, srodnici su morskim psima), specijaliziranih za ovaj poseban smjer. Najslikovitiji predstavnik je riba koja se u narodu naziva "električna jegulja", a u nauci vrlo simboličan naziv - Electrophorus electricus. Električna jegulja - stanovnik svježa voda, a nalazi se u sjevernom dijelu Južne Amerike - u Orinoku, Amazonu i njegovim pritokama. Strogo govoreći, ova riba nije u srodstvu sa jeguljama, tako je dobila ime po dugom repu, koji čini četiri petine tijela ove životinje, dugog od 6 do 9 stopa. Svi uobičajeni organi ove ribe stanu u prednji dio tijela, dug oko 15 do 16 inča.

Više od polovine dugog repa zauzima niz blokova modifikovanih mišića koji formiraju "električni organ". Svaki od ovih mišića proizvodi potencijal koji ne prelazi potencijal normalnog mišića. Ali hiljade i hiljade elemenata ove "baterije" povezane su tako da se njihovi potencijali zbrajaju. Odmoran električna jegulja sposoban da akumulira potencijal od 600 - 700 volti i da ga isprazni brzinom od 300 puta u sekundi. S umorom, ova brojka pada na 50 puta u sekundi, ali jegulja može izdržati ovu brzinu dugo vremena. Električni udar je dovoljno jak da ubije malu životinju kojom se ova riba hrani, ili da nanese osjetljiv poraz većoj životinji koja greškom odluči pojesti električnu jegulju.

Električne orgulje su veličanstveno oružje. Možda bi druge životinje rado pribjegle takvom strujnom udaru, ali ova baterija zauzima previše prostora. Zamislite koliko bi malo životinja imalo jake očnjake i kandže da zauzimaju polovinu mase njihovog tijela.

Drugi tip specijalizacije, koji uključuje korištenje električnih fenomena koji se javljaju na ćelijskoj membrani, nije povećanje potencijala, već povećanje brzine širenja depolarizacijskog vala. Postoje ćelije s izduženim procesima, koji su gotovo isključivo membranske formacije. Glavna funkcija ovih ćelija je vrlo brz prijenos stimulansa s jednog dijela tijela na drugi. Od ovih ćelija se prave nervi – oni nervi sa kojima je ovo poglavlje počelo.

U onim slučajevima kada postoji razdvajanje naboja i pozitivni naboji se nalaze na jednom mjestu, a negativni na drugom, fizičari govore o polarizaciji naboja. Fizičari koriste termin po analogiji sa suprotnim magnetnim silama koje se akumuliraju na suprotnim krajevima, ili polovima (ime je dato jer slobodno pokretna magnetizirana traka pokazuje svojim krajevima prema geografskim polovima) šipkastog magneta. U predmetnom slučaju imamo koncentraciju pozitivnih naboja na jednoj strani membrane i koncentraciju negativnih na drugoj strani membrane, odnosno možemo govoriti o polariziranoj membrani.

Fizičari su uspjeli izmjeriti električni potencijal koji postoji između dvije strane ćelijske membrane. Ispostavilo se da je jednako 0,07 volti. Takođe možemo reći da je ovaj potencijal jednak 70 milivolti, jer je milivolt jednak hiljaditom dijelu volta. Naravno, ovo je vrlo mali potencijal u poređenju sa 120 volti (120.000 milivolti) napona u mreži naizmenične struje ili u poređenju sa hiljadama volti napona u dalekovodima. Ali to je i dalje neverovatan potencijal, s obzirom na materijale koje ćelija ima na raspolaganju za izgradnju električnih sistema.

Utjecaj na membranu određenih kemijskih spojeva i utjecaj na nju slabih električnih struja dovodi do istog rezultata. (U potonjem slučaju, čini se da je uzrok depolarizacije najočigledniji. Uostalom, zašto se električni fenomen polarizacije ne može promijeniti vanjskim primijenjenim električnim potencijalom?)

Postoji sedam vrsta riba (neke su koštane, neke su hrskavičaste, srodnici su morskim psima), specijaliziranih za ovaj smjer. Najslikovitiji predstavnik je riba, koja se u narodu naziva "električna jegulja", au nauci vrlo simboličan naziv - Electrophorus electricus. Električna jegulja je stanovnik slatkih voda, a nalazi se u sjevernom dijelu Južne Amerike - u Orinoku, Amazoni i njenim pritokama. Strogo govoreći, ova riba nije u srodstvu sa jeguljama, tako je dobila ime po dugom repu, koji čini četiri petine tijela ove životinje, dugog od 6 do 9 stopa. Svi uobičajeni organi ove ribe stanu u prednji dio tijela, dug oko 15 do 16 inča.

Više od polovine dugog repa zauzima niz blokova modifikovanih mišića koji formiraju "električni organ". Svaki od ovih mišića proizvodi potencijal koji ne prelazi potencijal normalnog mišića. Ali hiljade i hiljade elemenata ove "baterije" povezane su tako da se njihovi potencijali zbrajaju. Odmorna električna jegulja može akumulirati potencijal od 600 - 700 volti i isprazniti ga brzinom od 300 puta u sekundi. S umorom, ova brojka pada na 50 puta u sekundi, ali jegulja može izdržati ovu brzinu dugo vremena. Električni udar je dovoljno jak da ubije malu životinju kojom se ova riba hrani, ili da nanese osjetljiv poraz većoj životinji koja greškom odluči pojesti električnu jegulju.

NEURON

Foke koje možemo vidjeti golim okom svakako nisu pojedinačne ćelije. To su snopovi nervnih vlakana, ponekad ti snopovi sadrže puno vlakana, od kojih je svako dio nervne ćelije. Sva vlakna u snopu idu u istom smjeru i, radi pogodnosti i prostora, međusobno su povezana, iako pojedina vlakna mogu obavljati potpuno različite funkcije. Na isti način, odvojene izolirane električne žice koje obavljaju potpuno različite zadatke kombiniraju se u jedan električni kabel radi praktičnosti. Samo nervno vlakno je dio nervne ćelije, koja se naziva i neuron. To je grčka izvedenica od latinske riječi za živac. Grci Hipokratove ere primjenjivali su tu riječ na živce u pravom smislu i na tetive. Sada se ovaj izraz odnosi isključivo na pojedinačnu nervnu ćeliju. Glavni dio neurona - tijelo se praktički ne razlikuje mnogo od svih ostalih ćelija u tijelu. Tijelo sadrži jezgro i citoplazmu. Najveća razlika između nervne ćelije i drugih ćelija je prisustvo dugih izraslina iz tela ćelije. Izrasline se granaju sa većeg dela površine tela nervnih ćelija koje se granaju duž cele dužine. Ove granaste izrasline podsjećaju na krošnju drveta i nazivaju se dendriti (od grčke riječi za "drvo").

Na površini ćelijskog tijela postoji jedno mjesto iz kojeg izlazi jedan, posebno dug, proces koji se ne grana cijelom svojom (ponekad ogromnom) dužinom. Ovaj proces se naziva akson. Zašto se tako zove, objasniću kasnije. Aksoni predstavljaju tipična nervna vlakna nervnog snopa. Iako je akson mikroskopski tanak, može biti dugačak nekoliko stopa, što izgleda neobično kada se uzme u obzir da je akson samo dio jedne nervne ćelije.

Depolarizacija koja je nastala u bilo kojem dijelu nervne ćelije širi se duž vlakna velikom brzinom. Talas depolarizacije koji se širi duž procesa nervne ćelije naziva se nervni impuls. Puls se može širiti duž vlakna u bilo kojem smjeru; dakle, ako primijenite stimulus na sredinu vlakna, tada će se impuls širiti u oba smjera. Međutim, u živim sistemima gotovo uvijek se ispostavi da se impulsi šire duž dendrita samo u jednom smjeru - prema tijelu ćelije. Duž aksona, impuls se uvijek širi iz tijela ćelije.

Brzinu širenja impulsa duž nervnog vlakna prvi je izmjerio njemački naučnik Hermann Helmholtz 1852. godine. Da bi to učinio, primijenio je podražaje na nervno vlakno na različitim udaljenostima od mišića i zabilježio vrijeme nakon kojeg se mišić kontrahirao. Ako se udaljenost poveća, kašnjenje se produžilo, nakon čega je došlo do kontrakcije. Kašnjenje je odgovaralo vremenu potrebnom da impuls pređe dodatnu udaljenost.

Prilično je zanimljiva činjenica da je šest godina prije Helmholtzovog eksperimenta, slavni njemački fiziolog Johannes Müller, u naletu konzervativizma, toliko svojstvenog naučnicima na usponu karijera, kategorički izjavio da niko nikada neće moći izmjeriti brzinu provođenje impulsa duž nerva.

U različitim vlaknima, brzina provođenja impulsa nije ista. Prvo, brzina kojom impuls putuje duž aksona ovisi otprilike o njegovoj debljini.

Što je akson deblji, to je veća brzina širenja impulsa. U vrlo tankim vlaknima, impuls putuje duž njih prilično sporo, brzinom od dva metra u sekundi ili čak manje. Ne brže od, recimo, talasa depolarizacije koji se širi kroz mišićna vlakna. Očigledno, što brže organizam treba da odgovori na ovaj ili onaj podražaj, to je poželjnija velika brzina provođenja impulsa. Jedan od načina da se postigne ovo stanje je povećanje debljine nervnih vlakana. U ljudskom tijelu najtanja vlakna su prečnika 0,5 mikrona (mikron je hiljaditi dio milimetra), dok su najdeblja vlakna 20 mikrona, odnosno 40 puta veća. Površina poprečnog presjeka debelih vlakana je 1600 puta veća od tankih vlakana.

Moglo bi se pomisliti da, budući da sisari imaju bolje razvijen nervni sistem od drugih grupa životinja, njihovi nervni impulsi se šire najvećom brzinom, a nervna vlakna su deblja od svih ostalih. vrste. Ali u stvarnosti to nije tako. Kod nižih životinja, žohara, nervna vlakna su deblja nego kod ljudi.

Najdeblja nervna vlakna imaju najrazvijeniji mekušci - lignje. Velike lignje općenito su vjerojatno najrazvijenije i visoko organizirane životinje od svih beskičmenjaka. S obzirom na njihovu fizičku veličinu, nismo iznenađeni što zahtijevaju visoke stope provodljivosti i vrlo debele aksone. Nervna vlakna koja idu do mišića lignje nazivaju se divovski aksoni i dosežu promjer od 1 milimetra. Ovo je 50 puta veće od prečnika najdebljeg aksona sisara, a površina poprečnog presjeka aksona lignje premašuje aksone sisara za 2500 puta. Aksoni divovskih lignji su dar za neurofiziologe, koji na njima lako mogu izvesti eksperimente (na primjer, mjerenje potencijala na aksonskim membranama), što je vrlo teško izvesti na izuzetno tankim aksonima kralježnjaka.

Ipak, zašto su beskičmenjaci još uvijek nadmašili kičmenjake po debljini nervnih vlakana, iako kičmenjaci imaju razvijeniji nervni sistem?

Odgovor je da brzina provodljivosti živaca kod kičmenjaka ovisi više od debljine aksona. Kralježnjaci imaju na raspolaganju sofisticiraniji način povećanja brzine provođenja impulsa duž aksona.

Kod kralježnjaka nervna vlakna u ranim fazama razvoja organizma padaju u okruženje takozvanih satelitskih ćelija. Neke od ovih ćelija nazivaju se Schwannove ćelije (po njemačkom zoologu Theodoru Schwainu, jednom od osnivača ćelijske teorije života). Schwannove ćelije se omotaju oko aksona, formirajući čvršću i čvršću spiralu, obavijajući vlakno omotačem nalik masti zvanom mijelinska ovojnica. Na kraju, Schwannove ćelije formiraju tanku ovojnicu oko aksona nazvanu neurilema, koja ipak sadrži jezgra originalnih Schwannovih ćelija. (Inače, sam Schwann je opisao ove neurileme, koje se u njegovu čast ponekad nazivaju Schwannova membrana. Čini mi se da izraz koji se odnosi na tumor koji izlazi iz neurileme zvuči vrlo nemuzično i uvredljivo za sjećanje velikog zoologa Zove se švanom.)

Jedna pojedinačna Schwannova ćelija obavija samo ograničeni dio aksona. Kao rezultat toga, Schwannove ovojnice pokrivaju akson u odvojenim dijelovima, između kojih postoje uska područja u kojima nema mijelinske ovojnice. Kao rezultat toga, pod mikroskopom, akson izgleda kao hrpa kobasica. Nemijelinizirana područja suženja ovog ligamenta nazivaju se Ranvierovi čvorovi, prema francuskom histologu Louisu Antoineu Ranvieru, koji ih je opisao 1878. Dakle, akson je poput tanke šipke provučene kroz niz cilindara duž njihovih osa. Osa na Latinski znači "os", otuda i naziv ovog procesa nervnih ćelija. Sufiks -je li on priložen, očigledno po analogiji sa rečju "neuron".

Funkcija mijelinske ovojnice nije sasvim jasna. Najjednostavnija pretpostavka o njegovoj funkciji je da služi kao neka vrsta izolatora nervnih vlakana, smanjujući curenje struje u okruženje. Takvo curenje se povećava kako vlakno postaje tanje, a prisustvo izolatora omogućava da vlakno ostane tanko bez povećanja potencijalnog gubitka. Dokazi za to se zasnivaju na činjenici da se mijelin pretežno sastoji od lipidnih (masnoće) materijala, koji su zaista odlični električni izolatori. (Upravo ovaj materijal daje živcu bijelu boju. Oni oko nervnih ćelija obojeni su sivo.)

Međutim, kada bi mijelin služio samo kao električni izolator, tada bi jednostavnije molekule masti mogle obaviti posao. Ali kako se ispostavilo, hemijski sastav mijelina je veoma složen. Od svakih pet molekula mijelina, dvije su molekule kolesterola, još dvije su molekule fosfolipida (molekule masti koje sadrže fosfor), a peti molekul je cerebrozid (složeni molekul nalik masti koji sadrži šećer). Postoje i druge neobične supstance u mijelinu. Čini se vrlo vjerojatnim da mijelin u nervnom sistemu ne obavlja samo funkcije električnog izolatora.

Pretpostavlja se da ćelije mijelinske ovojnice održavaju integritet aksona zato što je on proširen toliko daleko od tela nervne ćelije da je verovatno da će izgubiti svoju normalnu vezu sa jezgrom svoje nervne ćelije. Poznato je da je jezgro od vitalnog značaja za održavanje normalnog funkcionisanja svake ćelije i svih njenih delova. Možda jezgra Schwannovih stanica preuzimaju funkciju dadilja koje hrane akson u područjima koja obavijaju. Uostalom, aksoni nerava, čak i lišeni mijelina, prekriveni su tankim slojem Schwannovih stanica, u kojima se, naravno, nalaze jezgra.

Konačno, mijelinska ovojnica nekako ubrzava provođenje impulsa duž nervnog vlakna. Vlakno prekriveno mijelinskom ovojnicom provodi impulse mnogo brže od vlakna istog prečnika, ali bez mijelinske ovojnice. Zbog toga su kralježnjaci pobijedili u evolucijskoj borbi protiv beskičmenjaka. Zadržali su tanka nervna vlakna, ali su značajno povećali brzinu provođenja impulsa kroz njih.

Mijelinska nervna vlakna sisara provode nervne impulse brzinom od oko 100 m/s, ili, ako želite, 225 milja na sat. To je prilično pristojna brzina. Najveća udaljenost koju nervni impuls sisara mora preći je 25 metara koje odvajaju glavu plavog kita od repa. nervnog impulsa pređe ovaj dug put za 0,3 s. Udaljenost od glave do nožnog prsta kod osobe je impuls duž mijeliniziranog vlakna u jednoj pedesetoj dionici sekunde. Što se tiče brzine prenosa informacija u nervnom i endokrinom sistemu, postoji ogromna i sasvim očigledna razlika.

Kada se beba rodi, proces melinizacije nerava u njegovom tijelu još nije završen, a različite funkcije se ne razvijaju kako treba dok se pravi nervi ne mijeliniziraju. Dakle, dijete u početku ništa ne vidi. Funkcija vida uspostavlja se tek nakon mijelinizacije očnog živca, što, na sreću, ne traje dugo. Slično, nervi na mišićima ruku i nogu ostaju nemijelinizirani tokom prve godine života, pa se motorna koordinacija neophodna za samostalno kretanje uspostavlja tek do tog vremena.

Ponekad odrasli pate od takozvane "demijelinizirajuće bolesti", u kojoj dolazi do degeneracije mijelinskih sekcija s naknadnim gubitkom funkcije odgovarajućeg nervnog vlakna. Najbolje proučavana ova bolest poznata je kao multipla skleroza. Ovo ime je dato ovoj bolesti jer se s njom nalazi u raznim oblastima nervni sistemžarišta degeneracije mijelina pojavljuju se njegovom zamjenom gušćim ožiljnim tkivom. Takva demijelinizacija se može razviti kao rezultat djelovanja na mijelin nekog proteina prisutnog u krvi pacijenta. Čini se da je ovaj protein antitijelo, član klase supstanci koje normalno djeluju samo sa stranim proteinima, ali često uzrokuju simptome stanja koje poznajemo kao alergija. U stvari, pacijent s multiplom sklerozom razvija alergiju na sebe, a ova bolest može biti primjer autoalergijske bolesti. Budući da su senzorni živci najčešće zahvaćeni, najčešći simptomi multiple skleroze su dvostruki vid, gubitak taktilnog osjeta i drugi senzorni poremećaji. Multipla skleroza najčešće pogađa osobe u dobi od 20 do 40 godina. Bolest može napredovati, odnosno može biti zahvaćeno sve više nervnih vlakana i na kraju dolazi do smrti. Međutim, napredovanje bolesti može biti sporo, a mnogi pacijenti žive više od deset godina od trenutka postavljanja dijagnoze.

Sva nervna aktivnost uspješno funkcionira zahvaljujući smjeni faza mirovanja i razdražljivosti. Greške u sistemu polarizacije remete električnu provodljivost vlakana. Ali osim nervnih vlakana, postoje i druga podražljiva tkiva - endokrina i mišićna.

Ali mi ćemo razmotriti karakteristike provodnih tkiva, koristeći primjer procesa ekscitacije organske ćelije Hajde da razgovaramo o značaju kritičnog nivoa depolarizacije. Fiziologija nervne aktivnosti usko je povezana sa indikatorima električnog naboja unutar i izvan nervne ćelije.

Ako je jedna elektroda pričvršćena na vanjsku ljusku aksona, a druga na njegov unutarnji dio, tada je vidljiva razlika potencijala. Na ovoj razlici zasniva se električna aktivnost nervnih puteva.

Šta je potencijal mirovanja i akcioni potencijal?

Sve ćelije nervnog sistema su polarizovane, odnosno imaju različit električni naboj unutar i izvan posebne membrane. Nervna stanica uvijek ima svoju lipoproteinsku membranu, koja ima funkciju bioelektričnog izolatora. Zahvaljujući membranama, u ćeliji se stvara potencijal mirovanja koji je neophodan za naknadnu aktivaciju.

Potencijal mirovanja održava se prijenosom jona. Oslobađanje jona kalija i ulazak hlora povećavaju potencijal mirovanja membrane.

Akcijski potencijal se akumulira u fazi depolarizacije, odnosno porasta električnog naboja.

Faze akcionog potencijala. fiziologija

Dakle, depolarizacija u fiziologiji je smanjenje membranskog potencijala. Depolarizacija je osnova za nastanak ekscitabilnosti, odnosno akcionog potencijala za nervnu ćeliju. Kada se dostigne kritični nivo depolarizacije, nijedan, čak ni jak podražaj, nije u stanju da izazove reakcije u nervnim ćelijama. Istovremeno, unutar aksona ima puno natrijuma.

Neposredno nakon ove faze slijedi faza relativne ekscitabilnosti. Odgovor je već moguć, ali samo na jak signal stimulacije. Relativna ekscitabilnost polako prelazi u fazu egzaltacije. Šta je egzaltacija? Ovo je vrhunac podražljivosti tkiva.

Sve ovo vrijeme kanali za aktivaciju natrijuma su zatvoreni. A njihovo otvaranje će se dogoditi tek kada se isprazni. Repolarizacija je potrebna da bi se povratio negativni naboj unutar vlakna.

Šta znači kritični nivo depolarizacije (CDL)?

Dakle, ekscitabilnost, u fiziologiji, je sposobnost ćelije ili tkiva da odgovori na stimulus i generiše neku vrstu impulsa. Kako smo saznali, ćelijama je potreban određeni naboj - polarizacija - da bi radile. Povećanje naboja od minusa do plusa naziva se depolarizacija.

Depolarizacija je uvijek praćena repolarizacijom. Unutrašnji naboj nakon faze ekscitacije mora ponovo postati negativan kako bi se ćelija mogla pripremiti za sljedeću reakciju.

Kada su očitanja voltmetra fiksirana na oko 80 - odmorite se. Javlja se nakon završetka repolarizacije, a ako uređaj pokaže pozitivnu vrijednost (veću od 0), tada se faza repolarizacije približava maksimalnom nivou - kritičnom nivou depolarizacije.

Kako se impulsi prenose od nervnih ćelija do mišića?

Električni impulsi koji su nastali tijekom ekscitacije membrane prenose se duž nervnih vlakana velikom brzinom. Brzina signala se objašnjava strukturom aksona. Akson je djelomično obavijen omotačem. A između područja s mijelinom nalaze se Ranvierovi presjeci.

Zahvaljujući ovakvom rasporedu nervnog vlakna, pozitivni naboj se izmjenjuje s negativnim, a struja depolarizacije se širi gotovo istovremeno cijelom dužinom aksona. Signal kontrakcije stiže do mišića u djeliću sekunde. Takav indikator kao što je kritični nivo depolarizacije membrane označava oznaku na kojoj se postiže vršni akcioni potencijal. Nakon kontrakcije mišića, počinje repolarizacija duž cijelog aksona.

Šta se dešava tokom depolarizacije?

Šta znači takav pokazatelj kao kritični nivo depolarizacije? U fiziologiji, to znači da su nervne ćelije već spremne za rad. Pravilno funkcioniranje cijelog organa ovisi o normalnoj, pravodobnoj promjeni faza akcionog potencijala.

Kritični nivo (CLL) je približno 40-50 Mv. U tom trenutku električno polje oko membrane se smanjuje. direktno zavisi od toga koliko je natrijumskih kanala u ćeliji otvoreno. Ćelija u ovom trenutku još nije spremna za odgovor, ali prikuplja električni potencijal. Ovaj period se naziva apsolutna refraktornost. Faza traje samo 0,004 s u nervnim ćelijama, au kardiomiocitima - 0,004 s.

Nakon prolaska kritičnog nivoa depolarizacije, dolazi do superekscitabilnosti. Nervne ćelije mogu da reaguju čak i na dejstvo podpražnog stimulusa, odnosno na relativno slabo dejstvo okoline.

Funkcije natrijumovih i kalijumovih kanala

Dakle, važan učesnik u procesima depolarizacije i repolarizacije je proteinski jonski kanal. Hajde da shvatimo šta ovaj koncept znači. jonski kanali- to su proteinske makromolekule smještene unutar plazma membrane. Kada su otvoreni, neorganski joni mogu proći kroz njih. Proteinski kanali imaju filter. Samo natrijum prolazi kroz natrijumov kanal, a samo ovaj element prolazi kroz kalijumov kanal.

Ovi električno kontrolirani kanali imaju dvije kapije: jedna je kapija za aktivaciju, ima sposobnost prolaska jona, druga je inaktivacija. U trenutku kada je potencijal membrane mirovanja -90 mV, kapija je zatvorena, ali kada depolarizacija počne, natrijumski kanali se polako otvaraju. Povećanje potencijala dovodi do oštrog zatvaranja ventila kanala.

Faktor koji utiče na aktivaciju kanala je ekscitabilnost ćelijske membrane. Pod uticajem električne ekscitabilnosti pokreću se 2 tipa jonskih receptora:

pokreće se djelovanje ligandnih receptora - za hemozavisne kanale;
električni signal se isporučuje za električno kontrolirane kanale.

Kada se dostigne kritični nivo depolarizacije ćelijske membrane, receptori daju signal da se svi natrijumski kanali moraju zatvoriti, a kalijum kanali počinju da se otvaraju.

Natrijum kalijum pumpa

Procesi prijenosa pobudnog impulsa posvuda se odvijaju zbog električne polarizacije koja se provodi zbog kretanja jona natrijuma i kalija. Kretanje elemenata odvija se na osnovu principa jona - 3 Na+ unutra i 2 K+ spolja. Ovaj mehanizam izmjene naziva se natrijum-kalijum pumpa.

Depolarizacija kardiomiocita. Faze kontrakcije srca

Srčani ciklusi kontrakcija također su povezani s električnom depolarizacijom provodnih puteva. Signal kontrakcije uvijek dolazi iz SA ćelija koje se nalaze u desnoj pretkomori i širi se duž Hissovih puteva do Torelovih i Bachmannovih snopova do lijevog atrijuma. Desni i lijevi procesi Hissovog snopa prenose signal do ventrikula srca.

Nervne ćelije se brže depolarizuju i prenose signal zbog prisustva, ali i mišićno tkivo se postepeno depolarizuje. Odnosno, njihov naboj se mijenja iz negativnog u pozitivan. Ova faza srčanog ciklusa naziva se dijastola. Sve ćelije su ovdje međusobno povezane i djeluju kao jedan kompleks, jer rad srca mora biti što je moguće više koordiniran.

Kada dođe do kritičnog nivoa depolarizacije zidova desne i lijeve komore, dolazi do oslobađanja energije - srce se kontrahira. Tada se sve stanice repolariziraju i pripremaju za novu kontrakciju.

Depresija Verigo

Godine 1889. opisan je fenomen u fiziologiji, koji se naziva Verigova katolička depresija. Kritični nivo depolarizacije je nivo depolarizacije na kojem su svi natrijumski kanali već inaktivirani, a kalijum kanali rade umesto njih. Ako se stupanj struje još više poveća, tada se ekscitabilnost nervnog vlakna značajno smanjuje. A kritični nivo depolarizacije pod dejstvom stimulusa prelazi skalu.

Tokom Verigove depresije, brzina provođenja ekscitacije se smanjuje i, konačno, potpuno jenjava. Ćelija se počinje prilagođavati promjenom funkcionalnih karakteristika.

Mehanizam prilagođavanja

Dešava se da se pod određenim uvjetima depolarizirajuća struja ne mijenja dugo vremena. Ovo je karakteristično za senzorna vlakna. Postepeno dugotrajno povećanje takve struje preko 50 mV dovodi do povećanja frekvencije elektronskih impulsa.

Kao odgovor na takve signale, povećava se provodljivost kalijeve membrane. Aktivirani su sporiji kanali. Kao rezultat, javlja se sposobnost nervnog tkiva da ponavlja odgovore. To se zove adaptacija živaca.

Tokom adaptacije, umjesto velikog broja kratkih signala, ćelije počinju da se akumuliraju i daju jedan jak potencijal. I intervali između dvije reakcije se povećavaju.

Električni impuls koji se širi kroz srce i započinje svaki ciklus kontrakcija naziva se akcioni potencijal; to je val kratkotrajne depolarizacije, tokom kojeg unutarćelijski potencijal naizmjenično u svakoj ćeliji kratko vrijeme postaje pozitivan, a zatim se vraća na prvobitni negativan nivo. Promjene normalnog srčanog akcionog potencijala imaju karakterističan razvoj tokom vremena, koji se radi pogodnosti dijeli na sljedeće faze: faza 0 - početna brza depolarizacija membrane; faza 1 - brza, ali nepotpuna repolarizacija; faza 2 - plato, ili produžena depolarizacija, karakteristična za akcioni potencijal srčanih ćelija; faza 3 - konačna brza repolarizacija; faza 4 - period dijastole.

Kod akcionog potencijala, intracelularni potencijal postaje pozitivan, budući da pobuđena membrana privremeno postaje propusnija za Na+ (u poređenju s K+) , stoga se membranski potencijal neko vrijeme približava po veličini ravnotežnom potencijalu jona natrijuma (E Na) - EN i može se odrediti korištenjem Nernstovog omjera; pri ekstracelularnim i intracelularnim koncentracijama Na + 150 i 10 mM, respektivno, bit će:

Međutim, povećana permeabilnost za Na+ traje samo kratko, tako da membranski potencijal ne dostigne E Na i nakon završetka akcionog potencijala se vraća na nivo mirovanja.

Navedene promjene permeabilnosti, koje uzrokuju razvoj faze depolarizacije akcionog potencijala, nastaju zbog otvaranja i zatvaranja posebnih membranskih kanala, odnosno pora, kroz koje lako prolaze joni natrija. Smatra se da rad kapije reguliše otvaranje i zatvaranje pojedinačnih kanala, koji mogu postojati u najmanje tri konformacije – otvorenoj, zatvorenoj i inaktiviranoj. Jedna kapija koja odgovara aktivacijskoj varijabli m u Hodgkin-Huxleyevom opisu struja jona natrijuma u membrani aksona divovske lignje, brzo se pomiču kako bi otvorili kanal kada se membrana iznenada depolarizira stimulusom. Ostala vrata koja odgovaraju varijabli inaktivacije h u opisu Hodgkin-Huxleya, oni se sporije kreću tokom depolarizacije, a njihova funkcija je zatvaranje kanala (slika 3.3). Od nivoa membranskog potencijala zavise i uspostavljena distribucija kapija unutar sistema kanala i brzina njihovog prelaska iz jednog položaja u drugi. Stoga se termini ovisno o vremenu i naponu koriste za opisivanje provodljivosti Na+ membrane.

Ako se membrana u mirovanju iznenada depolarizira na nivo pozitivnog potencijala (na primjer, u eksperimentu stezanja potencijala), aktivaciona kapija će brzo promijeniti položaj kako bi otvorila natrijumske kanale, a zatim će ih inaktivacijska kapija polako zatvoriti (slika 3.3. ). Riječ sporo ovdje znači da deaktivacija traje nekoliko milisekundi, dok se aktivacija događa u dijelovima milisekundi. Kapije ostaju u ovim položajima sve dok se potencijal membrane ponovo ne promijeni, a da bi se sve kapije vratile u prvobitno stanje mirovanja, membrana mora biti potpuno repolarizirana na visoki nivo negativnog potencijala. Ako se membrana repolarizira samo do niskog nivoa negativnog potencijala, tada će neka od inaktivacijskih kapija ostati zatvorena i maksimalni broj dostupnih natrijevih kanala koji se mogu otvoriti nakon naknadne depolarizacije će se smanjiti. (Električna aktivnost srčanih ćelija u kojima su natrijumski kanali potpuno inaktivirani biće razmotrena u nastavku.) Potpuna repolarizacija membrane na kraju normalnog akcionog potencijala osigurava da se sve kapije vrate u prvobitno stanje i da su stoga spremne za sledeći akcioni potencijal.

Rice. 3.3. Šematski prikaz membranskih kanala za dolazne jonske tokove u potencijalu mirovanja, kao i tokom aktivacije i inaktivacije.

Na lijevoj strani, prikazana je sekvenca stanja kanala pri normalnom potencijalu mirovanja od -90 mV. U mirovanju, kapije inaktivacije i Na + kanala (h) i sporog Ca 2+ /Na + kanala (f) su otvorene. Tokom aktivacije, po pobuđenju ćelije, otvara se t-kapija Na+ kanala i dolazni tok Na+ jona depolarizuje ćeliju, što dovodi do povećanja akcionog potencijala (grafikon ispod). H-kapija se tada zatvara, čime se inaktivira Na+ provodljivost. Kako akcioni potencijal raste, membranski potencijal prelazi pozitivniji prag potencijala sporog kanala; istovremeno se otvaraju njihova aktivaciona kapija (d) i ioni Ca 2+ i Na+ ulaze u ćeliju, izazivajući razvoj faze platoa akcionog potencijala. Gate f, koji inaktivira Ca 2+ /Na + kanale, zatvara se mnogo sporije od kapije h, koja inaktivira Na kanale. Centralni fragment pokazuje ponašanje kanala kada potencijal mirovanja padne na manje od -60 mV. Većina kapija inaktivacije Na-kanala ostaje zatvorena sve dok je membrana depolarizovana; dolazni protok Na+ koji se javlja tokom ćelijske stimulacije je premali da izazove razvoj akcionog potencijala. Međutim, inaktivaciona kapija (f) sporih kanala se ne zatvara, i, kao što je prikazano u fragmentu desno, ako je ćelija dovoljno uzbuđena da otvori spore kanale i pusti da polako dolazeći ion teče kroz njih, odgovor će biti spor. moguć razvoj akcionog potencijala.

Rice. 3.4. Prag potencijala tokom ekscitacije srčane ćelije.

Akcioni potencijali sa tako velikom stopom porasta (često se nazivaju brzim odgovorima) brzo putuju kroz srce. Brzina širenja akcionog potencijala (kao i Vmax) u ćelijama sa istim kapacitetom membrane i karakteristikama aksijalnog otpora određena je uglavnom amplitudom unutrašnje struje koja teče tokom faze rasta akcionog potencijala. To je zbog činjenice da lokalne struje koje prolaze kroz ćelije neposredno prije akcionog potencijala imaju veću vrijednost sa bržim porastom potencijala, pa membranski potencijal u tim stanicama prije dostiže granični nivo nego u slučaju struja manja vrijednost (vidi sliku 3.4) . Naravno, te lokalne struje teku kroz ćelijsku membranu odmah nakon prolaska propagirajućeg akcionog potencijala, ali više nisu u stanju pobuđivati membranu zbog njene refraktornosti.

Rice. 3.5. Normalni akcioni potencijal i odgovori izazvani podražajima u različitim fazama repolarizacije.

Amplituda i povećanje brzine odgovora izazvanih tokom repolarizacije zavise od nivoa membranskog potencijala na kojem se javljaju. Najraniji odgovori (a i b) javljaju se na tako niskom nivou da su preslabi i nesposobni za širenje (postepeni ili lokalni odgovori). Odziv u predstavlja najraniji od propagirajućih akcionih potencijala, ali je njegovo širenje sporo zbog blagog povećanja brzine, kao i niske amplitude. Odgovor d se pojavljuje neposredno prije potpune repolarizacije, njegova brzina amplifikacije i amplituda su veće nego za odgovor c, budući da se javlja pri većem membranskom potencijalu; međutim, njegova brzina širenja postaje niža od normalne. Odgovor d je zabilježen nakon potpune repolarizacije, tako da su njegova amplituda i stopa depolarizacije normalne; stoga se brzo širi. PP - potencijal mirovanja.

Dug refraktorni period nakon ekscitacije srčanih ćelija je zbog dugog trajanja akcionog potencijala i naponske zavisnosti mehanizma kapije natrijumovog kanala. Nakon faze porasta akcionog potencijala slijedi period od stotina do nekoliko stotina milisekundi tokom kojeg nema regenerativnog odgovora na ponovljeni stimulus (slika 3.5). Ovo je takozvani apsolutni, ili efektivni, refraktorni period; obično pokriva plato (faza 2) akcionog potencijala. Kao što je gore opisano, natrijumski kanali se inaktiviraju i ostaju zatvoreni tokom ove trajne depolarizacije. Tokom repolarizacije akcionog potencijala (faza 3), inaktivacija se postepeno eliminiše, tako da se udio kanala koji se mogu ponovo aktivirati stalno povećava. Stoga se samo mali priliv natrijevih jona može inducirati stimulusom na početku repolarizacije, ali kako se repolarizacija akcionog potencijala nastavi, takvi fluksovi će se povećavati. Ako neki od natrijevih kanala ostanu neekscitabilni, onda inducirani dotok Na + može dovesti do regenerativne depolarizacije i stoga akcionog potencijala. Međutim, brzina depolarizacije, a time i brzina propagacije akcionih potencijala, značajno je smanjena (vidi sliku 3.5) i normalizira se tek nakon potpune repolarizacije. Vreme tokom kojeg je ponovljeni stimulans u stanju da izazove takve postepene akcione potencijale naziva se relativni refraktorni period. Naponsku ovisnost eliminacije inaktivacije proučavao je Weidmann, koji je otkrio da su brzina porasta akcionog potencijala i mogući nivo na kojem se ovaj potencijal evocira u odnosu u obliku slova S, poznatom i kao kriva membranske reaktivnosti.

U normalnim srčanim ćelijama, unutrašnja natrijumova struja odgovorna za brzi porast akcionog potencijala je praćena drugom unutrašnjom strujom koja je manja i sporija od struje natrijuma, za koju se čini da se prvenstveno prenosi jonima kalcijuma. Ova struja se obično naziva sporo unutrašnjom strujom (iako je to samo u poređenju sa brzom natrijumskom strujom; druge važne promene, poput onih koje se vide tokom repolarizacije, verovatno će se usporiti); teče kroz kanale, koji su, u skladu sa karakteristikama njihove provodljivosti, u zavisnosti od vremena i napona, nazvani spori kanali (vidi sliku 3.3). Prag aktivacije za ovu provodljivost (tj. kada se aktivaciona kapija počne otvarati - d) je između -30 i -40 mV (uporedite -60 do -70 mV za natrijumsku provodljivost). Regenerativna depolarizacija zbog brze natrijeve struje obično aktivira provođenje spore dolazeće struje, tako da u kasnijem periodu porasta akcionog potencijala struja teče kroz oba tipa kanala. Međutim, struja Ca 2+ je mnogo manja od maksimalne brze Na + struje, tako da je njen doprinos akcijskom potencijalu vrlo mali sve dok brza Na + struja ne postane dovoljno inaktivirana (tj. nakon početnog brzog povećanja potencijala). Kako se spora dolazna struja može inaktivirati samo vrlo sporo, ona uglavnom doprinosi plato fazi akcionog potencijala. Dakle, nivo platoa se pomera ka depolarizaciji, kada se gradijent elektrohemijskog potencijala za Ca 2+ povećava sa povećanjem koncentracije od 0 ; smanjenje 0 uzrokuje pomak nivoa platoa u suprotnom smjeru. Međutim, u nekim slučajevima može se uočiti doprinos struje kalcijuma fazi porasta akcionog potencijala. Na primjer, krivulja porasta akcionog potencijala u miokardnim vlaknima komore žabe ponekad pokazuje pregib oko 0 mV, na mjestu gdje početna brza depolarizacija ustupa mjesto sporijoj depolarizaciji koja se nastavlja sve dok ne pređe vrh akcionog potencijala. . Kao što je pokazano, stopa sporije depolarizacije i količina prekoračenja rastu sa povećanjem 0.

Osim različite ovisnosti o membranskom potencijalu i vremenu, ove dvije vrste provodljivosti razlikuju se i po farmakološkim karakteristikama. Dakle, struja kroz brze kanale za Na+ opada pod uticajem tetrodotoksina (TTX), dok na sporu struju Ca 2+ ne utiče TTX, već se povećava pod dejstvom kateholamina i inhibira je jonima mangana, kao i nekim lekovima, kao što su verapamil i D-600. Čini se vrlo vjerojatnim (barem u žabljem srcu) da većina kalcijuma potrebnog za aktiviranje proteina koji doprinose svakom otkucaju srca ulazi u ćeliju tokom akcionog potencijala kroz spori kanal za dolaznu struju. Kod sisara, dostupni dodatni izvor Ca 2+ za srčane ćelije su njegove rezerve u sarkoplazmatskom retikulumu.