Законы возбуждения физиология: Законы раздражения возбудимых тканей.

Законы раздражения возбудимых тканей.

Законы
раздражения отражают определенную
зависимость между действием раздражителя
и ответной реакцией возбудимой ткани.
К законам раздражения относятся, закон
силы, закон «все или ничего», закон
аккомодации (Дюбуа-Реймона), закон
силы-времени (силы-длительности), закон
полярного действия постоянного тока,
закон физиологического электротона.

Закон
силы: чем
больше сила раздражителя, тем больше
величина ответной реакции. В соответствии
с этим законом функционируют сложные
структуры, например, скелетная мышца.
Амплитуда ее сокращений от минимальных
(пороговых) величин постепенно
увеличивается с увеличением силы
раздражителя до субмаксимальных и
максимальных значений. Это обусловлено
тем, что скелетная мышца состоит из
множества мышечных волокон, имеющих
различную возбудимость. Поэтому на
пороговые раздражители отвечают только
те мышечные волокна, которые имеют самую
высокую возбудимость, амплитуд, мышечного
сокращения при этом минимальна. С
увеличением силы раздражителя в реакцию
вовлекается все большее количество
мышечных волокон, и амплитуда сокращения
мышц все время увеличивается. Когда в
реакцию вовлечены все мышечные волокна,
составляющие данную мышцу, дальнейшее
увеличение силы раздражителя не приводит
к увеличению амплитуды сокращения.

Закон
«все или ничего»:
подпороговые раздражители не вызывают
ответной реакции («ничего»), на
пороговые раздражители возникает
максимальная ответная реакция («все»).
По закону «все или ничего’ сокращаются
сердечная мышца и одиночное мышечное
волокно. Закон «все или ничего» не
абсолютен. Во-первых, на раздражители
подпороговой силы не возникает видимой
ответной реакции, но в ткани происходят
изменения мембранного потенциала покоя
в виде возникновения местного возбуждения
(локального ответа). Во-вторых, сердечная
мышца, растянутая кровью, при наполнении
ею камер сердца, реагирует по закону
«все или ничего», но амплитуда ее
сокращений будет больше по сравнению
с сокращением сердечной мышцы, не
растянутой кровью.

Закон
раздражения — Дюбуа-Реймона
(аккомодации) раздражающее действие
постоянного тока зависит не только от
абсолютной величины силы тока или его
плотности, но и от скорости нарастания
тока во времени. При действии медленно
нарастающего раздражителя возбуждение
не возникает, так как происходит
приспосабливание возбудимой ткани к
действию этого раздражителя, что получило
название аккомодации. Аккомодация
обусловлена тем, что при действии
медленно нарастающего раздражителя в
мембране возбудимой ткани происходит
повышение критического уровня
деполяризации. При снижении скорости
нарастания силы раздражителя до
некоторого минимального значения
потенциал действия вообще не возникает.
Причина заключается в том, что деполяризация
мембраны является пусковым стимулом к
началу двух процессов: быстрого, ведущего
к повышению натриевой проницаемости,
и тем самым обусловливающего возникновение
потенциала действия, и медленного,
приводящего к инактивации натриевой
проницаемости и как следствие этого —
окончанию потенциала действия. При
быстром нарастании стимула повышение
натриевой проницаемости успевает
достичь значительной величины прежде,
чем наступит инактивация натриевой
проницаемости. При медленном нарастании
тока на первый план выступают процессы
инактивации, приводящие к повышению
порога или ликвидации возможности
генерировать ПД вообще. Способность к
аккомодации различных структур
неодинакова. Наиболее высокая она у
двигательных нервных волокон, а наиболее
низкая у сердечной мышцы, гладких мышц
кишечника, желудка.

Закон
силы-дительности:
раздражающее действие постоянного тока
зависит не только от его величины, но и
от времени, в течение которого он
действует. Чем больше ток, тем меньше
времени он должен действовать для
возникновения возбуждения.

Исследования
зависимости силы-длительности показали,
что последняя имеет гиперболический
характер (рис. 3). Из этого следует, что
ток ниже некоторой минимальной величины
не вызывает возбуждение, как бы длительно
он не действовал, и чем короче импульсы
тока, тем меньшую раздражающую способность
они имеют. Причиной такой зависимости
является мембранная емкость. Очень
«короткие» токи просто не успевают
разрядить эту емкость до критического
уровня деполяризации. Минимальная
величина тока, способная вызвать
возбуждение при неограниченно длительном
его действии, называется реобазой.
Время, в течение которого действует
ток, равный реобазе,и вызывает возбуждение,
называется полезным временем.

В
связи с тем, что определение этого
времени затруднено, было введено понятие
хронаксия — минимальное время, в течение
которого ток, равный двум реобазам,
должен действова.ть на ткань, чтобы
вызвать ответную реакцию. Определение
хронаксии — хронаксиметрия — находит
применение в клинике. Электрический
ток, приложенный к мышце, проходит через
как мышечные, так и нервные волокна и
их окончания, находящиеся в этой мышце.
Так как хронаксия нервных волокон
значительно меньше хронаксии мышечных
волокон, то при исследовании хронаксии
мышцы практически получают хронаксию
нервных волокон. Если нерв поврежден
или произошла гибель соответствующих
мотонейронов спинного мозга (это имеет
место при полиомиелите и некоторых
других заболеваниях), то поисходит
перерождение нервных волокон и тогда
определяется хронаксия уже мышечных
волокон, которая имеет большую величину,
чем нервных волокон.

Закон
полярного действия постоянного тока:
при замыкании тока возбуждение возникает
под катодом, а при размыкании — под
анодом. Прохождение постоянного
электрического тока через нервное или
мышечное волокно вызывает изменение
мембранного потенциала покоя. Так, в
области приложения к возбудимой ткани
катода положительный потенциал на
наружной стороне мембраны уменьшается,
возникает деполяризация, которая быстро
достигает критического уровня и вызывает
возбуждение. В области же приложения
анода положительный потенциал на
наружной стороне мембраны возрастает,
происходит гиперполяризация мембраны
и возбуждение не возникает. Но при этом
под анодом критический уровень
деполяризации смещается к уровню
потенциала покоя. Поэтому при размыкании
цепи тока гиперполяризация на мембране
исчезает, и потенциал покоя, возвращаясь
к исходной величине, достигает смещенного
критического уровня и возникает
возбуждение.

Закон
физиологического электротона:
действие постоянного тока на ткань
сопровождается изменением ее возбудимости.
При прохождении постоянного тока через
нерв или мышцу порог раздражения под
катодом и соседних с ним участках
понижается вследствие деполяризации
мембраны — возбудимость повышается. В
области приложения анода происходит
повышение порога раздражения, т. е.
снижение возбудимости вследствие
гиперполяризации мембраны. Эти изменения
возбудимости под катодом и анодом
получили название электротона
(электротоническое изменение возбудимости).
Повышение возбудимости под катодом
называется катэлектротоном, а снижение
возбудимости под анодом – анэлектротоном.

При
дальнейшем действии постоянного тока
первоначальное повышение возбудимости
под катодом сменяется ее понижением,
развивается так называемая католическая
депрессия. Первоначальное же снижение
возбудимости под анодом сменяется ее
повышением анодная экзальтация. При
этом в области приложения катода
происходит инактивация натриевых
каналов, а в области действия анода
происходит снижение калиевой проницаемости
и ослабление исходной инактивации
натриевой проницаемости.

Основные характеристики и законы возбудимых тканей

Основные характеристики и законы возбудимых тканей

Основным свойством любой ткани является раздражимость, т. е. способность ткани изменять свои физиологические свойства и проявлять функциональные отправления в ответ на действие раздражителей.

Раздражители – это факторы внешней или внутренней среды, действующие на возбудимые структуры. Различают две группы раздражителей:

1) естественные;

2) искусственные: физические. Классификация раздражителей по биологическому принципу:

1) адекватные, которые при минимальных энергетических затратах вызывают возбуждение ткани в естественных условиях существования организма;

2) неадекватные, которые вызывают в тканях возбуждение при достаточной силе и продолжительном воздействии.

К общим физиологическим свойствам тканей относятся:

1) возбудимость – способность живой ткани отвечать на действие достаточно сильного, быстрого и длительно действующего раздражителя изменением физиологических свойств и возникновением процесса возбуждения.

Мерой возбудимости является порог раздражения. Порог раздражения – это та минимальная сила раздражителя, которая впервые вызывает видимые ответные реакции;

2) проводимость – способность ткани передавать возникшее возбуждение за счет электрического сигнала от места раздражения по длине возбудимой ткани;

3) рефрактерность – временное снижение возбудимости одновременно с возникшим в ткани возбуждением. Рефрактерность бывает абсолютной;

4) лабильность – способность возбудимой ткани реагировать на раздражение с определенной скоростью.

Законы устанавливают зависимость ответной реакции ткани от параметров раздражителя. Существуют три закона раздражения возбудимых тканей:

1) закон силы раздражения;

2) закон длительности раздражения;

3) закон градиента раздражения.

Закон силы раздражения устанавливает зависимость ответной реакции от силы раздражителя. Эта зависимость неодинакова для отдельных клеток и для целой ткани. Для одиночных клеток зависимость называется «все или ничего». Характер ответной реакции зависит от достаточной пороговой величины раздражителя.

Закон длительности раздражений. Ответная реакция ткани зависит от длительности раздражения, но осуществляется в определенных пределах и носит прямо пропорциональный характер.

Закон градиента раздражения. Градиент – это крутизна нарастания раздражения. Ответная реакция ткани зависит до определенного предела от градиента раздражения.

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ Законы раздражения Проведение

ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ • • Законы раздражения Проведение возбуждения по мембранам Проведение возбуждения в синапсах Физиология нервной клетки. Особенности синапсов. Механизм возбуждения.

Особенности раздражителей Раздражитель – это носитель какой-либо энергии Параметры раздражителей Сила Частота Длительность Скорость нарастания Особенности формирования возбуждения при действии различных раздражителей описывают законы раздражения

Виды возбудимых систем v. Гомогенные имеют одинаковую возбудимость во всех точках (нервное волокно, мышечное волокно). v. Гетерогенные имеют различную возбудимость отдельных элементов (целая скелетная мышца, нервная клетка)

Закон силы для гомогенных систем Потенциал действия формируется по закону «Всё или ничего» Амплитуда потенциала действия не зависит от силы раздражителя.

Сравнительная характеристика потенциала действия и локального ответа Параметры Сила раздражителя Способность к суммации Амплитуда ПД Локальный ответ Пороговый и Подпороговый сверхпороговый Формируется по Амплитуда зависит от закону «Все или силы подпорогового раздражителя ничего» 110 -130 мв Меньше порогового потенциала Повышается Изменение Изменяется по возбудимости фазам Способность к Распространяется Не распространению без декремента распространяется, быстро угасает

Закон силы для гетерогенных систем Чем больше сила порогового раздражителя, тем больше амплитуда ответа, но до определенного предела

ЗАКОН «СИЛА — ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» Чем больше сила порогового раздражителя, тем меньше времени необходимо для того, чтобы вызвать возбуждение

ЗАКОН «ЧАСТОТЫ» В ГОМОГЕННОЙ ВОЗБУДИМОЙ СИСТЕМЕ ØЧем больше частота порогового раздражителя, тем больше частота ПД до определенного предела. ØМаксимальное число ПД, которое возбудимая структура способна сформировать в 1 сек называется лабильностью ØЧастота раздражения, соответствующая лабильности, называется оптимальной ØЧастота раздражения выше оптимальной называется пессимальной ØНерв- 400 -1000 гц

Закон частоты в гетерогенной возбудимой системе: чем больше частота порогового раздражителя, тем больше амплитуда ответа

Закон градиента раздражения Механизмы развития аккомодации 1. На мембране формируется состояние длительной деполяризации 2. Происходит инактивация потенциалзависимых Чем медленнее нарастает сила раздражителя, тем больше должна быть его пороговая величина каналов; 3. Екр смещается к 0; Возбудимость снижается и исчезает развивается аккомодация

Законы действия постоянного тока ØПри замыкании цепи возбуждение формируется под катодом ØПри размыкании цепи возбуждение формируется под анодом ØПорог возбуждения под катодом меньше, чем порог под анодом

Возбудимость увеличивается А К КРАТКОВРЕМЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ Е критич ПП Возбудимость уменьшается ДЛИТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ

Проведение возбуждения в нервных волокнах ПД 1. Формирование ПД 2. Деполяризация ПП соседних участков с ПП за счет мембраны локальных токов Сальтаторное проведение

Законы проведения возбуждения Ø Закон анатомической и физиологической целостности Ø Закон изолированного проведения Ø Закон двустороннего проведения

Физиология синапса Синапс – это специализированный контакт между возбудимыми клетками, обеспечивающий проведение возбуждения с одной клетки на другую Классификации синапсов По виду клеток, участвующих в передаче возбуждения: нейро-нейрональные, нервно-мышечные, нейро-секреторные По месту контакта: аксо-соматические, аксо-дендритические, аксональные, дендро-дендритические По функции: возбуждающие, тормозные По способу передачи возбуждения: химические, электрические По медиаторам (химические синапсы: холинэргические (ацетилхолин), адренергические (норадреналин)

НЕРВНО-МЫШЕЧНАЯ ПЕРЕДАЧА Как нервы регулируют функции мышц? • В скелетных мышцах двигательные нейроны инициируют мышечное сокращение. В сердечной мышце симпатические и парасимпатические нейроны модулируют силу сокращения, но само по себе сокращение происходит спонтанно и независимо от нервной деятельности. • В гладких мышцах нервы могут либо инициировать процесс сокращения, либо модулировать силу сокращения. Например, норадреналин, выделяемый из адренергических окончаний, может повышать тонус кровеносных сосудов по сравнению с тонусом покоя, обусловленным миогенной возбудимостью мышечных клеток сосудистой стенки.

Что такое двигательная концевая пластинка? Специализированный участок мембраны мышечного волокна с ацетилхолиновыми рецепторами, расположенными на вершинах складок напротив окончания пресинаптического двигательного нейрона. Нервно-мышечное соединение скелетной мышцы (см. микрофотографию) представляет собой возбуждающий синапс, переносящий потенциал действия от спиналъного двигательного нейрона к мышце. Передача импульса через синапс осуществляется химическим медиатором ацетилхолином.

Микрофотография нервно-мышечного соединений в скелетной мышце, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. (Приводится с разрешения из: Fawcett D. W. : Bloom and Fawcett: Textbook of Physiology, 12 th ed. New York, Chapman & Hall, 1994 . )

Рисунок нервно-мышечного синапса

Опишите процесс синаптической передачи в нервномышечном соединении скелетной мышцы. • Потенциалы действия в пресинаптических двигательных нейронах вызывают слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной и высвобождение посредством экзоцитоза содержащегося в них ацетилхолина. Для экзоцитоза синапических пузырьков необходимы ионы Са 2+ , которые входят в клетку через потенциалзависимые Са 2+ -каналы, открывающиеся в ответ на деполяризацию пресинаптической мембраны во время потенциала действия. Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и связывается с никотиновыми рецепторами на плазматической мембране мышечной клетки. Его связывание с рецептором повышает проницаемость постсинаптической мембраны для ионов Na+ и К+. Это приводит к деполяризации, вызывающей распространение потенциала действия по мышечному волокну и его сокращение.

Что такое потенциал двигательной концевой пластинки? • Локальная деполяризация концевой пластинки мышечного волокна в ответ на связывание ацетилхолина с расположенными на ней никотиновыми холинергическими рецепторами.

Что является причиной возникновения потенциала двигательной концевой пластинки? Ацетилхолиновый рецептор входит в состав ионного канала, отвечающего за потенциал концевой пластинки. Связывание ацетилхолина с рецепторно-канальным комплексом приводит к открытию канала. Это повышает проницаемость посгсинаптической мембраны для ионов Na + и К+ и вызывает надпороговую деполяризацию, необходимую для возникновения потенциала действия в постсинаптической мембране скелетной мышцы.

В чем заключается биологический смысл избыточного выделения нейромедиатора в нервно-мышечном соединении скелетной мышцы? Под избыточностью подразумевается выделение в нервномышечном соединении значительно большего количества ацетилхолина, чем требуется для запуска потенциала действия на постсинаптической мембране. Тем самым гарантируется, что каждый потенциал действия мотонейрона вызовет реакцию в иннервируемом им мышечном волокне. Большой запас надежности отличает нервно-мышечное соединение от возбуждающих интернейронов ЦНС, в которых для того чтобы вызвать в постсинаптическом нейроне потенциал действия, импульсы подпороговой деполяризации должны суммироваться.

Что такое квантовый характер выделения нейромедиатора? Высвобождение молекул нейромедиатора дискретными порциями, или квантами. Отдельный квант соответствует содержимому одного синаптического пузырька в пресинаптическом нейроне.

Что такое миниатюрный потенциал концевой пластинки? Локальное, небольшое по амплитуде, спонтанное изменение мембранного потенциала двигательной концевой пластинки скелетной мышцы в месте нервномышечного соединения. Миниатюрные потенциалы концевой пластинки (МПКП) возникают вследствие спонтанного выхода отдельных квантов нейромедиатора ацетилхолина и его последующего взаимодействия с рецепторами на постсинаптической мембране.

Каким образом прекращается действие ацетилхолина в синапсе? Попавший в синаптическую щель ацетилхолин быстро гидролизуется ферментом ацетидхолинэстеразой на ацетат и холин. Тем самым действие медиатора на постсинаптические рецепторы прекращается. Ингибиторы холинэстеразы, которыми являются, например, классические нервно-паралитические газы, продлевают действие ацетилхолина и вызывают, вследствие нарушения удаления медиатора, судорожные сокращения скелетных мышц.

Что такое миастения и как она связана с нервно-мышечной передачей? Миастения — это заболевание нервномышечной системы, сопровождающееся мышечной слабостью. Оно обусловлено аутоиммунной реакцией против рецепторов ацетилхолина, вызывающей уменьшение количества функционирующих рецепторов на постсинаптической мембране.

Как действует кураре? В яде кураре содержится вещество dтубокурарин, которое связывается с никотиновыми рецепторами скелетных мышц и блокирует их, не позволяя связываться с ними нейромедиатору ацетилхолину. В результате нарушения передачи нервных импульсов наступает паралич скелетных мышц.

Электрические синапсы

Синаптическая щель Постсинаптическая мембрана Физиология синапса химического типа (на примере нервно-мышечного синапса) Пресинаптическая мембрана Везикулы с ацетилхолином Рецепторы к Ах

5, 6 5. Ток натрия в 1. Пресинаптический ПД, мышечную ток кальция в аксон клетку 2. Активация везикул и 6. Формирование выделение ПКП медиатора 7. Формирование ПД рядом с синапсом 1, 2, 3, 4 7 3. Диффузия Потенциал концевой пластинки –местная медиатора деполяризация постсинаптичской мембраны4. Ах+холинорецептор

Свойства синапсов 1. Односторонний характер проведения возбуждения 2. Синаптическая задержка 3. Низкая лабильность 4. Высокая утомляемость 5. Способность к суммации 6. Пластичность 7. Высокая чувствительность

ПРИРОДА ВОЗБУЖДЕНИЯ, ЗАКОНЫ РАЗДРАЖЕНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называют возбудимостью? Какие ткани обладают возбудимостью? 1. Возбудимость — это способность клетки генерировать потенциал действия. Нервная и мышечная. 2. Назовите невозбудимые ткани. Чем принципиально отличается ответная реакция на раздражение возбудимой и невозбудимой ткани? 3. Как в опыте установить, является ли ткань возбудимой или невозбудимой. 4. Назовите критерии, с помощью которых оценивают уровень возбудимости ткани. 5. Что такое пороговый потенциал? Как он обозначается? 2. Эпителиальная и соединительная (собственно соединительная, хрящевая, костная и ретикулярная и жировая). В возбудимой ткани в ответ на пороговое и сверхпороговое раздражения возникает потенциал действия, т. е. распространяющееся возбуждение. В невозбудимой ткани потенциал действия не возникает. 3. Путем регистрации потенциала действия, который возникает в возбудимой ткани в ответ на раздражение и не возникает в невозбудимой ткани. 4. Пороговый потенциал, пороговая сила раздражителя, пороговое время действия раздражителя. 5. Это минимальная величина, на которую надо уменьшить мембранный потенциал, чтобы вызвать импульсное возбуждение (потенциал

6. Что такое критический уровень деполяризации клеточной мембраны (критическая величина мембранного потенциала)? Как он обозначается? 6. Это минимальный уровень деполяризации клеточной мембраны, при котором возникает 7. Что понимают в физиологии под силой 7. Степень выраженности раздражающего воздействия стимула на ткань, например, сила электрического тока, температура среды, концентрация химического вещества, сила раздражителя? Приведите примеры. возбуждение. Обозначается E кр. звука . 8. Что такое пороговая сила раздражителя? В какой зависимости она находится от возбудимости? 8. Это наименьшая сила раздражителя, способная вызвать возбуждение ткани (потенциал действия). В обратной: чем ниже возбудимость, тем выше пороговая сила раздражителя. 9. Какой показатель(пороговый потенциал или пороговая сила) наиболее точно характеризует уровень возбудимости ткани? Каково соотношение порогового потенциала и степени 9. Пороговый потенциал. Обратная: чем больше возбудимость ткани, тем меньше величина порогового потенциала. возбудимости ткани? 10. Какой показатель (пороговый потенциал или пороговая сила раздражителя) и почему чаще используется в экспериментальной практике для оценки уровня возбудимости ткани? 10. Пороговая сила, т. к. этот показатель достаточно хорошо отражает уровень возбудимости ткани, а определить его в эксперименте значительно проще, чем пороговый потенциал.

11. Что называют реобазой? 11. Минимальную силу тока, способную вызвать возбуждение. 12. Что такое пороговое время действия раздражителя? Укажите второе название для порога времени ? 12. Минимальное время, в течение которого должен действовать раздражитель пороговой силы, чтобы вызвать импульсное возбуждение ткани. Полезное время. 13. Зависит ли величина пороговой силы раздражителя от времени его действия? Какова зависимость между сверхпороговой силой раздражителя и временем его действия на ткань, необходимыми для вызова возбуждения ткани? 13. Не зависит. Обратная: с увеличением силы раздражителя уменьшается время раздражения, необходимое для вызова возбуждения. При уменьшении силы раздражителя это время 14. Нарисуйте кривую силы-времени, отражающую зависимость между силой раздражителя и временем его действия, 14. См. рис. 3 возрастает. необходимыми для вызова возбуждения. 15. Нарисуйте кривую силы-времени и обозначьте на ней точку, соответствующую пороговой силе и пороговому («полезному») времени. 15. См. рис. 3, точка В.

16. Что называют хронаксией? 17. Как и во сколько раз изменяется хронаксия поперечнополосатой мышцы после дегенерации ее двигательного нерва? 16. Минимальное время, в течение которого должен действовать раздражитель, силой в две реобазы, чтобы вызвать импульсное возбуждение. 17. Увеличивается примерно в 100 раз. 18. Назовите три обязательных условия раздражения ткани, при которых возникает возбуждение. 18. Должны быть пороговыми сила раздражителя, время 19. Какой эффект возникает при действии на организм (местно) электрического тока сверхпороговой силы ультравысокой частоты? Возникает ли импульсное возбуждение? 19. Повышение температуры ткани. Возбуждение не возникает вследствие кратковременности действия отдельных стимулов (при этом потенциал клеточной мембраны не успевает Почему? снизиться до критического уровня). 20. Какое явление развивается в возбудимой ткани при медленно нарастающем стимуле? В 20. Аккомодация. Выражается в понижении возбудимости ткани и амплитуды потенциала действия вплоть до полного его отсутствия при чем оно выражается? его действия и крутизна нарастания раздражителя. медленно нарастающем стимуле.

21. Какой формы электрический ток следует применять для определения реобазы, почему? 21. Прямоугольный. В этом случае скорость нарастания стимула максимальна, поэтому не успевает развиться явление аккомодации. 22. Изменения каких свойств клеточной мембраны возбудимой клетки лежат в основе 22. Изменение проницаемости клеточной мембраны для ионов натрия и калия, что выражается в инактивации натриевых и активации калиевых каналов. явления аккомодации? Опишите его сущность. 23. Назовите фазы изменения возбудимости при импульсном возбуждении. 23. Абсолютная рефрактерная фаза, относительная рефрактерная фаза, фаза повышенной и пониженной возбудимости. 24. Каковы представления о происхождении абсолютной рефрактерности? Сравните с механизмом развития аккомодации. 24. Ее возникновение, как и аккомодации, объясняют инактивацией натриевых каналов и активацией калиевых каналов. 25. Сформулируйте полярный закон раздражения постоянным током возбудимой ткани. 25. Постоянный ток вызывает возбуждение в области катода при замыкании, а в области анода — при размыкании цепи.

26. Почему при замыкании цепи постоянного тока возбуждение возникает под катодом? 26. Под катодом клеточная мембрана деполяризуется, и если эта деполяризация достигает критического уровня, возникает потенциал действия. 27. Почему при размыкании цепи постоянного тока возбуждение возникает под анодом? 27. Вследствие сдвига Eкр. до Eо, что является результатом изменения свойств ионных каналов; при размыкании тока гиперполяризация в области анода исчезает, мембранный потенциал быстро достигает исходного уровня и, следовательно, достигает критической величины, что и приводит к возникновению потенциала действия. 28. Как меняется возбудимость ткани в зоне действия катода и анода при прохождении постоянного тока через ткань? Как называются 28. В области катода возбудимость повышается, в области анода — понижается. Физиологический электротон. эти изменения возбудимости? 29. Почему в зоне действия анода при прохождении постоянного тока возбудимость понижается? 29. Потому, что мембрана гиперполяризуется, мембранный потенциал покоя возрастает и удаляется от критического (Eкр. ) уровня, что ведет к увеличению порогового потенциала (D V). 30. Почему в зоне действия катода возбудимость 30. Потому, что мембрана деполяризуется, потенциал покоя уменьшается и приближается к критическому уровню (Eкр. ), что ведет к уменьшению порогового потенциала (D V). при прохождении постоянного тока повышается?

31. Что называют катодической депрессией? 31. Снижение возбудимости ткани в области катода после первоначального ее повышения при длительном действии постоянного тока. 32. Что называют лабильностью (функциональной подвижностью) ткани? Кто впервые ввел это понятие и предложил использовать показатель лабильности для характеристики функционального состояния ткани? 32. Скорость воспроизведения одного цикла процесса возбуждения (потенциала действия). Н. Е. Введенский. 33. Что является мерой лабильности? 34. От чего зависит лабильность ткани? 35. В какой зависимости находится лабильность ткани от длительности ее рефрактерной фазы? Дайте соответствующие пояснения. 33. Максимальное число потенциалов действия, которое ткань может воспроизвести в 1 с в соответствии с ритмом раздражения. 34. От скорости протекания одного цикла возбуждения (потенциала действия), которая определяется скоростью перемещения ионов в клетку и из клетки. При этом особое значение имеет длительность рефрактерной фазы. 35. В обратной: чем длиннее рефрактерная фаза, тем ниже лабильность.

36. Как в опыте определяют лабильность ткани? 36. Путем регистрации потенциалов действия и определения максимального их числа, которое ткань может генерировать в соответствии с ритмом раздражения. 37. Чему равна лабильность нерва, скелетной мышцы и нервно-мышечного синапса? 37. 500 -1000 имп/с, 200 -300 имп/с, 100 -150 имп/с, 38. Как меняется лабильность ткани при длительном бездействии органа, при утомлении 38. Понижается во всех случаях. соответственно. и после денервации? 39. Что называют явлением усвоения ритма раздражения, кто его открыл? 39. Способность ткани отвечать с более высокой частотой возбуждения на ритмическое раздражение по сравнению с исходной частотой. Явление открыто А. А. Ухтомским. 40. Какими свойствами, обеспечивающими биоэлектрические явления (потенциал покоя и потенциал действия), обладает клеточная мембрана? От чего зависят эти свойства? 40. Неодинаковой проницаемостью для разных ионов и ее изменчивостью. Зависят от наличия специфических каналов для разных ионов и состояния управляемых каналов (ворота открыты, закрыты).

41. Что является непосредственной причиной существования потенциала покоя? 41. Неодинаковая концентрация анионов и катионов по обе стороны клеточной мембраны. 42. Что обеспечивает неодинаковую концентрацию анионов и катионов внутри и снаружи возбудимой клетки? 42. Неодинаковая проницаемость клеточной мембраны для различных ионов и работа ионных насосов. 43. Что понимают под проницаемостью 43. Возможность пропускать различные вещества, заряженные и незаряженные частицы. Зависит от наличия различных каналов и их состояния («ворота» открыты или закрыты), от растворимости частиц в мембране, от размеров частиц и каналов. клеточной мембраны? От чего она зависит? 44. Что понимают под проводимостью ионов в электрофизиологии? От чего она зависит? 45. Какой опыт доказывает главную роль ионов калия в происхождении потенциала покоя? Опишите его суть. 44. Способность заряженных частиц — ионов проходить через клеточную мембрану. Зависит от проницаемости клеточной мембраны и от концентрационного и электрического градиентов для данных ионов. 45. Опыт с перфузией гигантского аксона кальмара солевыми растворами: при уменьшении концентрации калия в перфузате потенциал покоя уменьшается, при увеличении концентрации калия — потенциал покоя увеличивается.

46. Как и почему изменится величина потенциала покоя, если проницаемость клеточной мембраны станет одинаковой для всех ионов, а натрий-калиевая помпа будет 46. Потенциал покоя сильно уменьшится в результате перемещения ионов согласно концентрационному и электрическому градиентам. продолжать работать ? 47. Движение каких ионов и в каком направлении обусловливает восходящую и нисходящую части пика потенциала действия? 47. Восходящую — вход ионов натрия внутрь клетки, нисходящую — выход ионов калия из клетки. 48. Опишите опыт, доказывающий, что возникновение потенциала действия связано с 48. Нервное волокно помещают в среду, содержащую радиоактивный натрий и раздражают. При возбуждении радиоактивный натрий накапливается внутри волокна. диффузионным током натрия внутрь клетки. 49. Что является движущей силой и что является 49. Движущая сила — концентрационный и, условием, обеспечивающими ход натрия в частично, электрический градиент. Условием увеличение проницаемости клеточной клетку во время ее возбуждения? мембраны для ионов натрия. 50. В какие фазы потенциала действия концентрационный градиент обеспечивает вход натрия внутрь клетки? 50. В фазу деполяризации и реверсии (восходящая часть).

51. Способствует или препятствует электрический градиент входу натрия внутрь клетки при ее возбуждении (восходящая часть пика потенциала действия)? 51. В фазу деполяризации — способствует, в фазу реверсии — препятствует. 52. В какие фазы потенциала действия концентрационный и электрический градиенты способствуют или препятствуют входу натрия внутрь клетки? 52. Концентрационный градиент способствует в фазу деполяризации и реверсии (восходящая часть), электрический — в фазу деполяризации способствует, в фазу реверсии — препятствует. 53. Влияние электрического или концентрационного градиента для ионов натрия сильнее в фазу реверсии потенциала действия? Какой факт об этом свидетельствует? 53. Сильнее влияние концентрационного градиента. Об этом свидетельствует продолжающееся поступление натрия в клетку, несмотря на противодействие этому электрического градиента. 54. Что является движущей силой, обеспечивающей выход ионов калия из клетки во время возбуждения? 54. Концентрационный и, частично, электрический градиенты. 55. Что является условием, обеспечивающим выход ионов калия из клетки во время ее возбуждения? Каков механизм его реализации? 55. Увеличение проницаемости клеточной мембраны для ионов калия в результате открытия «ворот» калиевых каналов.

56. В какие фазы потенциала действия концентрационный градиент является движущей силой для ионов калия, выходящих из клетки? 56. В фазу реверсии и реполяризации. 57. Способствует или препятствует электрический градиент выходу ионов калия из клетки во время ее возбуждения? 57. В фазу реверсии — способствует, в фазу реполяризации — препятствует. 58. В какие фазы потенциала действия концентрационный и электрический градиенты способствуют или препятствуют выходу ионов 58. Концентрационный градиент способствует в фазу реверсии и реполяризации, электрический градиент — в фазу нисходящей части реверсии способствует, в фазу реполяризации препятствует. калия из клетки? 59. Влияние концентрационного или электрического градиента для ионов калия сильнее в фазу реполяризации потенциала действия? Какой факт об этом свидетельствует? 59. Сильнее влияние концентрационного градиента. Об этом свидетельствует продолжающийся выход калия из клетки, несмотря на противодействие этому электрического градиента. 60. Почему прекращается дальнейшее нарастание восходящей части пика потенциала действия во время возбуждения клетки? С чем это связано? 60. Вследствие прекращения поступления ионов натрия внутрь клетки в связи с инактивацией натриевых каналов.

Законы раздражения

Любой агент, повышающий натриевую проницаемость мембраны, является раздражителем возбудимой ткани. Раздражителями нервных и мышечных волокон могут быть: электрический ток, механические воздействия (щипок, удар, разрез), резкое охлаждение или согревание, различные кислоты, щелочи, концентрированные растворы солей и т. д.

Среди всех указанных раздражителей электрический ток занимает особое место, так как, во-первых, он может быть легко и точно дозирован по силе, длительности и крутизне нарастания, а во-вторых, он не повреждает живую ткань и его действие быстро и полностью обратимо при тех его силах, которые достаточны для вызова возбуждения. Изучение действия электрического раздражения на возбудимые ткани представляет большой интерес для физиологии, потому что проведение возбуждения в нервах и мышцах осуществляется с помощью локальных электрических токов, возникающих между возбужденным и покоящимся участком ткани.

В лабораторных условиях и при проведении некоторых клинических исследований для раздражения нервов и мышц применяют электрические стимулы различной формы: прямоугольной, синусоидальной, линейно и экспоненциально нарастающей, индукционные удары, конденсаторные разряды и т. п.

Механизм раздражающего действия тока при всех видах стимулов в принципе одинаков, однако в наиболее отчетливой форме он выявляется при использовании постоянного тока прямоугольной формы.
Для того чтобы раздражитель вызвал возбуждение, он должен иметь достаточную силу, длительность и крутизну нарастания.

Порог раздражения

Та наименьшая сила раздражителя, которая необходима для возникновения потенциала действия в возбудимой ткани, называется порогом раздражения. Стимулы, сила которых ниже пороговой величины, называются подпороговыми, а более сильные, чем пороговые,сверхпороговыми.

При использовании в качестве раздражителя электрического тока порог выражается в единицах силы тока или напряжения. Абсолютная величина порога зависит от свойств и физиологического состояния ткани, а также от способа нанесения раздражения.

Существует два способа подведения электрического тока к ткани: внеклеточный и внутриклеточный. Первый состоит в том, что оба электрода располагают на поверхности раздражаемой ткани. Ток входит в ткань в области анода и выходит в области катода. Недостаток этого метода заключается в значительном ветвлении тока: только часть его проходит через мембраны клеток, часть же ответвляется в межклеточные щели. Вследствие этого при раздражении приходится применять значительно большую силу тока, чем это в действительности необходимо для возникновения возбуждения.

Более точным является второй способ раздражения посредством внутриклеточного электрода. Микроэлектрод с диаметром кончика около 0,5 мК вводят в клетку, второй — обычный электрод — прикладывают к поверхности ткани. В этом случае весь приложенный ток проходит через мембрану клетки, что позволяет точно определить величину порога раздражения: у различных клеток он варьирует в пределах 10~7-10~9 а. Внутриклеточное раздражение обычно сочетают с регистрацией потенциалов через другой, внутриклеточный электрод.

Полезное время раздражения

Минимальное время, в течение которого электрический ток должен действовать на ткань, чтобы вызвать распространяющееся возбуждение, находится в обратной зависимости от напряжения и силы тока.
Если по оси абсцисс отложить минимально необходимое время действия электрического стимула (например, толчка постоянного тока) в миллисекундах, а по оси ординат — напряжение или силу тока, то мы получим кривую силы — времени. Эта кривая была подробно изучена в опытах на различных нервах и мышцах Л. Гоорвегом, Г. Вейссом, Л. Лапиком, а в недавнее время Д. Н. Насоновым с сотрудниками.
Из рассмотрения этой кривой прежде всего следует, что ток ниже некоторой минимальной силы или напряжения не вызывает возбуждения, как бы длительно он не действовал. Минимальная сила тока (или напряжение), способная вызвать возбуждение, названа Л. Лапиком реобазой. Наименьшее время, в течение которого должен действовать ток, равный реобазе, чтобы вызывать потенциал действия, обозначают термином полезное время. Слово «полезное» здесь применено для того, чтобы подчеркнуть, что дальнейшее увеличение длительности действия тока не имеет значения (бесполезно) для возникновения потенциала действия.

Усиление тока приводит к укорочению минимального времени раздражения, но не беспредельно. При очень коротких стимулах кривая силы — времени становится параллельной оси ординат. Это означает, что при таких кратковременных раздражениях возбуждение возникает, как бы ни была велика сила раздражения. Кривая силы — времени имеет форму равносторонней гиперболы.

Определение полезного времени практически трудно, так как величина реобазы претерпевает непрерывно небольшие колебания, отражающие колебания функционального состояния мембраны в покое. По этой причине Л. Лапик (1909) предложил измерять другую, условную, величину, названную им хронаксией. Хронаксия — это наименьшее время, в течение которого электрический ток, равный удвоенной реобазе (ОО), должен действовать на ткань, чтобы вызвать возбуждение. Полезное время и хронаксия характеризуют скорость возникновения возбуждения при действии раздражителя.

Опыты показали, что кривые силы — времени у самых разнообразных тканей, например нервов и мышц человека и теплокровных животных, желудка лягушки, ноги улитки и др., имеют одну и ту же форму. азличия между ними лишь количественные: в нервных и мышечных волокнах позвоночных животных хронаксия измеряется тысячными и десятитысячными долями секунды, а в так называемых медленных тканях, например в мышечных волокнах ноги улитки или желудка лягушки,в сотых долях секунды.

Эти факты привели исследователей к выводу, что возбудимые ткани отличаются друг от друга временной константой.

Определение хронаксии — хронаксиметрия — получило распространение не только в эксперименте, но и в клинической практике (А. Бургиньон, Ю. М. Уфлянд и др.). В частности, путем измерения хронаксии мышцы невропатолог может установить наличие повреждения волокон двигательного нерва. Дело в том, что при приложении электрического стимула к мышце ток проходит и через находящиеся в ней нервные волокна и их окончания. Порог раздражения и хронаксия нервных волокон ниже, чем мышечных волокон. Поэтому при раздражении мышцы возбуждение прежде возникает в нервных волокнах и от них уже передается мышечным волокнам. Из этого следует, что при определении хронаксии нормальной мышцы человека фактически измеряется хронаксия иннервирующих ее нервных волокон. Если же нерв поврежден или произошла гибель иннервирующих мышцу клеток в спинном мозгу, то нервные волокна перерождаются, и тогда приложенный к мышце стимул выявляет хронаксию мышечных волокон, которая имеет большую продолжительность.

Крутизна нарастания силы раздражителя. Явления аккомодации

Величина порога раздражения нерва или мышцы зависит не только от длительности действия стимула, но и от крутизны нарастания его силы. Порог раздражения имеет наименьшую величину при толчках тока прямоугольной формы, характеризующихся максимально быстрым нарастанием силы. Если же вместо толчков прямоугольной формы применять линейно или экспоненциально нарастающие стимулы, то пороги оказываю увеличенными и тем в большей мере, чем медленнее нарастает сила тока .

При уменьшении крутизны нарастания тока ниже некоторой минимальной величины потенциал действия вообще не возникает, до какой бы конечной силы не увеличивался ток. Обусловлено это тем, что за время нарастания силы раздражителя в ткани успевают развиться активные изменения, повышающие порог и препятствующие возникновению возбуждения. Такое явление приспособления возбудимой ткани к медленно нарастающему раздражителю получило название аккомодации. Чем выше скорость аккомодации, тем более круто должен нарастать стимул, чтобы не утратить своего раздражающего действия.
Аккомодация развивается не только при раздражении возбудимых тканей электрическим током, но также и при применении механических, термических и прочих раздражителей.

Показателем скорости аккомодации является та наименьшая крутизна нарастания тока, при которой раздражающий стимул еще сохраняет способность вызывать потенциал действия. Эту минимальную крутизну нарастания тока называют минимальным градиентом, или критическим наклоном. Его выражают или в абсолютных величинах — мА /сек, или в относительных единицах — реобаза/сек. При этом реобазу измеряют прямоугольным током, а затем рассчитывают, на сколько реобаз в секунду должен нарастать ток, чтобы он не утратил раздражающего действия.

Скорость аккомодации различных возбудимых образований широко варьирует. Наиболее велика скорость аккомодации двигательных нервных волокон теплокровных животных. Чувствительные волокна характеризуются меньшей скоростью аккомодации. Очень мала скорость аккомодации волокон сердечной мышцы, гладких мышц кишечника, мочеточников, желудка, т. е. всех образований, которые склонны к автоматической активности.

Полярный закон раздражения

Постоянный электрический ток обладает полярным действием на возбудимую ткань. Оно выражается в том, что в момент замыкания цепи постоянного тока возбуждение в нерве или мышце всегда возникает только под катодом, а в момент размыкания только под анодом. Э. Пфлюгер, открывший эти явления, доказал их путем следующего опыта: он умерщвлял участок нерва под одним из электродов, а второй электрод устанавливал на неповрежденный участок. Если с неповрежденным участком соприкасался катод, то возбуждение возникало в момент замыкания тока; если же катод устанавливали на поврежденном участке, а анод на неповрежденном, то возбуждение возникало только при размыкании тока. Порог раздражения при размыкании, когда возбуждение возникает под анодом, значительно выше, чем при замыкании, когда возбуждение возникает под катодом.

О возникновении возбуждения Пфлюгер судил косвенно по сокращению мышцы, иннервируемой раздражаемым нервом. В дальнейшем эти явления, обобщенные в форме полярного закона раздражения, были подтверждены и прямым способом — путем регистрации потенциалов действия непосредственно в участке приложения к ткани полюсов постоянного тока.

Для изучения механизма полярного действия электрического тока в настоящее время производят раздражение нервных и мышечных волокон и отведение от них электрических потенциалов с помощью внутриклеточных микроэлектродов. Установлено, что потенциал действия возникает только в том случае, если катод соприкасается с наружной поверхностью мембраны, а анод находится внутри клетки. При обратном расположении полюсов, т. о. наружном аноде и внутреннем катоде, возбуждение при замыкании тока не возникает, как бы он силен ни был.

Для того чтобы понять причину этого явления, рассмотрим изменения мембранного потенциала, вызываемые постоянным электрическим током.

Физиология возбудимых тканей. Законы возбуждения

Основным свойством живых клеток и тканей является раздражимость, т.е. способность реагировать изменением обмена веществ в ответ на действия раздражителей. Возбудимость – свойство клеток отвечать на раздражение возбуждением. К возбудимым относятся нервные, мышечные и секреторные клетки.

Возбуждение –ответная реакция на раздражение клеток и тканей, проявляющееся в специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышц, секреция железы) и неспецифических реакциях (генерация потенциала действия, метаболические изменения).

Большая или меньшая скорость реакции, которыми сопровождается деятельность ткани или органа на действия раздражителя называется лабильностью (функциональной подвижностью). Наибольшей лабильностью обладает нервная ткань. Сила, длительность и быстрота реакции возбудимых объектов значительно варьирует.

По своей энергетической сущности раздражители могут быть механическими, термическими, электрическими, химическими, а по биологическому значению адекватными и неадекватными.

Адекватные – это природные раздражители, способные при минимальной энергии раздражения вызвать возбуждение рецепторных аппаратов и клеток, специально приспособленных для восприятия данного вида раздражителя. Для сетчатки глаза адекватный раздражитель световой луч, для слуховых рецепторов – звуковые колебания, для мышечных волокон – нервный импульс, для рецепторов воспринимающих газовый состав воздуха – углекислый газ.

Неадекватные– неспецифические, вызывают ответную реакцию нервной системы, но лишь при значительной силе и продолжительности воздействия.

Порог возбудимости – это минимальная сила раздражителя, которая способна вызвать процесс возбуждения.

Раздражители меньшей или большей силы называют соответственно – подпороговыми и сверхпороговыми. Порог возбуждения нерва ниже, чем порог возбуждения мышцы и особенно железы. Состояние ткани (работа, утомление, уровень метаболизма) также влияют на величину порога.

Признаки возбуждения определяются формой перехода от состояния покоя к деятельности, так для нервной ткани – это генерация распространяющегося нервного импульса, синтез и разрушение медиаторов, для мышечной – сокращение, для железистой – образование и выделение секрета. Возбуждение может быть местным и распространяющимся.

Законы возбуждения

1-й закон (закон силы). Ткань отвечает на действие раздражителя возбуждением только в том случае, если раздражение имеет определенную силу. Реобаза – минимальная сила электрического тока, способная вызвать возбуждение. Чем возбудимее ткань, тем меньше для нее пороговая сила возбуждения и, следовательно, более слабый раздражитель может вызвать возбуждение. Возбудимость мышцы меньше возбудимости нерва.

2-й закон (закон времени). Ткань отвечает на действие раздражителя пороговой силы и выше только в том случае, если раздражитель действует определенное время. Это время для различных тканей неодинаково. Наименьшее время действия раздражителя пороговой силы, необходимое для того, что бы вызвать возбуждение, называют полезным временем. Хронаксия – это наименьшее время, необходимое для развития ответной реакции ткани, при условии, когда на нее действует раздражитель (электрический ток), равный удвоенной реобазе: измеряется в миллисекундах.

3-й закон (закон крутизны нарастания силы раздражения). Условием раздражения является нарастание силы с достаточной быстротой, которая характеризуется его крутизной; чем выше скорость нарастания силы раздражителя, тем ниже величина пороговой силы раздражителя, раздражитель может не вызвать ответной реакции ткани. Это связано со свойством такни приспосабливаться к раздражителю. Такое изменение состояния ткани называется аккомодацией или приспособлением.

4-й закон (полярный закон действия раздражителя, или закон действия постоянного тока). При действии постоянного тока на ткань возбуждение возникает только на катоде или аноде, таким образом, в момент замыкания цепи постоянного тока возбуждение возникает всегда только под катодом, а в момент размыкания – только под анодом.

5-й закон («все или ничего»). Структурно-функциональные единицы ткани (клетки, нервные волокна и др.) отвечают на действие раздражителя только по принципу «все или ничего». Сущность закона состоит в том, что на раздражитель пороговой силы ткани отвечают максимальной силой возбуждения – это универсальный закон.

Биоэлектрические явления в организме. История вопроса. Первые сведения о способности живых тканей генерировать (образовывать) электричество были получены во второй половине XVIII века на примере рыб, имеющих электрические органы, подобные аккумулятору. Однако существование «животного электричества», как проявления жизнедеятельности тканей было установлено итальянским ученым Гальвани и опубликовано в 1791 году – «Трактат о силе электричества при мышечном движении».

Он замыкал цепь из двух металлических пластинок (медь и цинк) связанных проводником на мышце лягушки и получал ее сокращение в результате электрического разряда.

Современник Гальвани – А. Вольта объяснил это явление, как результат возникновения постоянного тока в цепи двух разнородных металлов, где препарат (мышца) служит солевым проводником – электролитом.

Однако Гальвани предложил новый вариант опыта без использования металлических проводников: при набрасывании перерезанного седалищного нерва стеклянным крючком на мышцу (или неповрежденного нерва на разрез мышцы) происходило вздрагивание мышцы.

В этом споре Вольта и Гальвани оказались оба правы. Вольта в поисках электричества металлов изобрел первый в мире источник постоянного тока, а Гальвани доказал наличие электричества в живой ткани.

Узнать еще:

Законы раздражения возбудимых тканей. Нормальная физиология

Законы раздражения возбудимых тканей

Эти законы отражают определенную зависимость между действием раздражителя и ответной реакцией возбудимой ткани. К законам раздражения относятся: закон силы, закон «все или ничего», закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации), закон силы-времени (силы-длительности), закон полярного действия постоянного тока, закон физиологического электротона.

Закон силы: чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции. В соответствии с этим законом функционирует скелетная мышца. Амплитуда ее сокращений постепенно увеличивается с увеличением силы раздражителя вплоть до достижения максимальных значений. Это обусловлено тем, что скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих различную возбудимость. На пороговые раздражители отвечают только волокна, имеющие самую высокую возбудимость, амплитуда мышечного сокращения при этом минимальна. Увеличение силы раздражителя приводит к постепенному вовлечению волокон, имеющих меньшую возбудимость, поэтому амплитуда сокращения мышцы усиливается. Когда в реакции участвуют все мышечные волокна данной мышцы, дальнейшее повышение силы раздражителя не приводит к увеличению амплитуды сокращения.

Закон «все или ничего»: подпороговые раздражители не вызывают ответной реакции («ничего»), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция («все»). По закону «все или ничего» сокращаются сердечная мышца и одиночное мышечное волокно. Закон «все или ничего» не абсолютен. Вопервых, на раздражители подпороговой силы не возникает видимой ответной реакции, но в ткани происходят изменения мембранного потенциала покоя в виде возникновения местного возбуждения (локального ответа). Во-вторых, сердечная мышца, растянутая кровью, реагирует по закону «все или ничего», но амплитуда ее сокращения будет больше по сравнению с таковой при сокращении нерастянутой сердечной мышцы.

Закон раздражения Дюбуа-Реймона (аккомодации): стимулирующее действие постоянного тока зависит не только от абсолютной величины силы тока, но и от скорости нарастания тока во времени. При действии медленно нарастающего тока возбуждение не возникает, так как происходит приспособление возбудимой ткани к действию этого раздражителя, что получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что при действии медленно нарастающего раздражителя в мембране происходит повышение критического уровня деполяризации. При снижении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения ПД не возникает, так как деполяризация мембраны является пусковым стимулом к началу двух процессов: быстрого, ведущего к повышению натриевой проницаемости и тем самым обусловливающего возникновение потенциала действия, и медленного, приводящего к инактивации натриевой проницаемости и как следствие этого – к окончанию потенциала действия. При быстром нарастании стимула повышение натриевой проницаемости успевает достичь значительной величины прежде, чем наступит инактивация натриевой проницаемости. При медленном нарастании тока на первый план выступают процессы инактивации, приводящие к повышению порога генерации ПД. Способность к аккомодации различных структур неодинакова. Наиболее высокая она у двигательных нервных волокон, а наиболее низкая у сердечной мышцы, гладких мышц кишечника, желудка.

Исследования зависимости силы-длительности показали, что она имеет гиперболический характер. Ток меньше некоторой минимальной величины не вызывает возбуждение, как бы длительно он не действовал, и чем короче импульсы тока, тем меньшую раздражающую способность они имеют. Причиной такой зависимости является мембранная емкость. Очень «короткие» токи не успевают разрядить эту емкость до критического уровня деполяризации. Минимальная величина тока, способная вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой. Время, в течение которого ток, равный реобазе, вызывает возбуждение, называется полезным временем.

Закон силы-времени: раздражающее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в течение которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать на возбудимые ткани, чтобы вызвать возбуждение (рис.3).

Закон полярного действия постоянного тока: при замыкании тока возбуждение возникает под катодом, а при размыкании – под анодом. Прохождение постоянного электрического тока через нервное или мышечное волокно вызывает изменение мембранного потенциала. Так, в области приложения катода положительный потенциал на наружной стороне мембраны уменьшается, возникает деполяризация, которая быстро достигает критического уровня и вызывает возбуждение. В области же приложения анода положительный потенциал на наружной стороне мембраны возрастает, происходит гиперполяризация мембраны и возбуждение не возникает. Но при этом под анодом критический уровень деполяризации смещается к уровню потенциала покоя. Поэтому при размыкании цепи тока гиперполяризация на мембране исчезает, и потенциал покоя, возвращаясь к исходной величине, достигает смещенного критического уровня и возникает возбуждение.

Закон физиологического электротона: действие постоянного тока на ткань сопровождается изменением ее возбудимости. При прохождении постоянного тока через нерв или мышцу порог раздражения под катодом и в соседних с ним участках понижается вследствие деполяризации мембраны (возбудимость повышается). В области приложения анода происходит повышение порога раздражения, т. е. снижение возбудимости вследствие гипериоляризации мембраны. Эти изменения возбудимости под катодом и анодом получили название электротона (электротоническое изменение возбудимости). Повышение возбудимости под катодам называется катэлектротоном, а снижение возбудимости иод анодом – анэлектротоном.

При дальнейшем действии постоянного тока первоначальное повышение возбудимости под катодом сменяется ее понижением, развивается так называемая католическая депрессия. Первоначальное же снижение возбудимости под анодом сменяется ее повышением – анодная экзальтация. При этом в области приложения катода – инактивация натриевых каналов, а в области действия анода происходит снижение калиевой проницаемости и ослабление исходной инактивации натриевой проницаемости.

Различие понятий «законы раздражения» возбудимых тканей и «законы возбуждения»

Различие понятий «законы раздражения» возбудимых тканей и «законы возбуждения»

Не следует путать «законы раздражения» возбудимых тканей и «законы возбуждения»

Законы раздражения отвечают на вопрос, каким должен быть раздражитель, чтобы возникло возбуждение.

Законы возбуждения отвечают на вопрос, каким образом может ответить возбудимая структура на действие раздражителя.

К законам раздражения относятся законы:

1. силы

2. времени

3. градиента силы

К законам возбуждения относятся законы:

1. все или ничего

2. силы

Не путайте закон «силы», как закон возбуждения, с законом «силы», как законом раздражения.

Сравните:

Определение «закона силы» (возбуждения): с увеличением силы стимула увеличивается сила ответной реакции возбудимой структуры.

Определение «закон «силы» (раздражения): чтобы возникло возбуждение, стимул должен быть достаточно сильным – пороговым или выше порогового[Б4] .

Область применения «закона силы» (возбуждения) — описание процесса возбуждения.

Область применения «закон «силы» (раздражения) — характеристика стимула.

Так при выполнении закона «силы» раздражения -– возникает возбуждение, которое в свою очередь может протекать или по закону «силы» или по закону «всё или ничего».

Понятия «раздражитель», «раздражение» в физиологии возбудимых тканей

Раздражитель [Б5] — фактор внешней или внутренней по отношению к возбудимой структуре среды, который при действии или изменении действия, способен вызвать возбуждение.

Естественно, речь идёт об определении понятия раздражитель в контексте физиологии возбудимых тканей.

Напомню, на действие раздражителя (стимула) структура может ответить раздражение (неспецифической реакцией) и возбуждением (специфической электрической реакцией[V.G.6] ). Возбуждение возникает при выполнении соответствующих законов раздражения. Для реакции раздражения в тех же возбудимых структурах выполнение рассматриваемых сегодня нами законов совершенно не обязательно.

Ответить на раздражение возбуждением могут только возбудимые ткани, их составляющие и органы из них состоящие. Например, мышечное волокно, мышечная ткань, мышца (орган). Напомню, к возбудимым тканям относят нервную, мышечную и железистую.

Всё чаще вместо термина «раздражитель» применяется термин «стимул». Это синонимы. И мы в дальнейшем термин стимул будем применять очень часто. Но запомните! В физиологии возбудимых тканей есть понятие возбуждение, но нет понятия возбудитель. Возбуждение возникает на действие раздражителя (стимула).

Итак, согласно определению раздражителем может быть фактор, который ранее не действовал на возбудимую структуру. Например, Вашей руки коснулся сосед. Если Вы это почувствовали, в определённых возбудимых структурах возникло возбуждение.

Другой пример. В рецепторах, контролирующих газовый состав крови, возбуждение возникает при изменении концентрации кислорода или углекислого газа в крови.

Может ли возникнуть возбуждение без внешнего стимула? Да, в результате спонтанной деполяризации клетки. Эти процессы характерны для клеток‑пейсмекеров сердечной мышцы и желудочно-кишечного тракта.

Типы раздражителей

Признаки, по которым различаются раздражители:

1. Природе (модальность, валентность): физические, химические и т.п.

2. Биологическому значению (адекватные, неадекватные)

3. Отношению силы воздействия к порогу [V.G.7] возбуждения (подпороговые, пороговые, сверхпороговые).

4. Одиночные или серийные

По природе [Б8] раздражители разделяют на химические, механические, лучистые, температурные, электрические и т.д.[Б9] . В этом случае говорят о модальности[Б10] стимула[A11] .

Стимулы одной и той же модальности различаются по валентности. Например, химические (модальность) раздражители могут быть солёными, сладкими, горькими, кислыми (валентность).ермин модальность, чаще применяют в области сенсорной физиологии касательно рецепторов и анализаторов в целом[Б12] . И когда говорят о модальности раздражителя, имеют в виду характер вызываемых раздражителем ощущений. Но не забудем, что рецепторы, да и анализаторы в целом – это возбудимые структуры.

Внутри каждой модальности можно выделить валентность раздражителя. Например, химический раздражитель может быть кислотой, щелочью, солью[Б13] .

По биологическому значению независимо от модальности раздражители делят на адекватные и неадекватные[Б14] .

Адекватные раздражители способны при воздействии на определенные возбудимые [V.G.15] структуры вызвать реакцию возбуждения.

Другими словами, раздражитель, действуя на разные биологические структуры, может вызвать возбуждение только в некоторых из них. Вот для этих структур этот раздражитель будет адекватен. Например, действие света, только в определённых структурах сетчатки глаза вызывает возбуждение. Для них он адекватен.

Необязательно, говоря об адекватных раздражителях, замыкаться в рамках «естественных условий» и отождествлять понятия «естественный раздражитель» и «адекватный раздражитель». Например, действие на вкусовые рецепторы химических веществ пищи вызывает возбуждение. Химические вещества пищи, безусловно, в этом случае являются и естественными и адекватными раздражителями. Но, если мы в лабораторных условиях подействуем на эти же рецепторы электрическим током, может также возникнуть возбуждение. В этом случае раздражитель никак не будет естественным, но будет адекватным для рассматриваемых рецепторов.

Процитируем другое определение адекватных раздражителей. «Адекватные раздражители — это такие раздражители, которые воздействуют в естественных условиях на строго определенные рецепторы и возбуждают их[Б16] [++484+ с238]». Вы должны понять, почему приводимое определение, по меньшей мере, неточно.

Неадекватные раздражители способны при воздействии на определенные возбудимые [V.G.17] структуры вызвать реакцию возбуждения, но при этом необходимы затраты энергии существенно большие, чем при возбуждении этих же структур от адекватного раздражителя.

Например, видимый свет для рецепторов сетчатки или звук в диапазоне его восприятия для рецепторов слухового анализатора является адекватным раздражителем[Б18] . Однако ощущение вспышки света (фосфен, «искры из глаз») или слышимого звука (звона в ушах) может возникнуть при действии механических (удар по голове) и других раздражителей достаточной силы[Б19] . В данном случае также возникает возбуждение соответственно в зрительном или слуховом анализаторах, но уже под влиянием не свойственных для них неадекватных раздражителей[Б20] .

Адекватность раздражителя проявляется в том, что его пороговая сила значительно ниже по сравнению с пороговой силой неадекватного раздражителя[Б21] . Например, ощущение света возникает у человека, когда минимальная интенсивность светового раздражителя составляет всего 10^-17 — 10^-18 Вт, а механического – более . 10^-4 Вт, т.е. разница между световым и механическим пороговым раздражителями для рецепторов глаза человека достигает 13-14 порядков.

Ещё раз подчеркну, неадекватные раздражители тоже способны вызвать возбуждение. Когда мы говорим о неадекватных раздражителях для какой‑либо возбудимой структуры, имеем ввиду, что для этой же структуры имеются адекватные раздражители.

Может ли стимулы одной и той же модальности, но разной валентности различаться по адекватности возбудимой структуре? Да, могут. Например, такие химические (модальность) раздражители как сахар, соль (валентность) являются адекватными для разных вкусовых рецепторов языка.

По отношению силы воздействия раздражителя к порогу [V.G.22] возбуждения различают подпороговые, пороговые, сверхпороговые. Подробнее об этой важнейшей характеристике раздражителя мы будем говорить позже, разбирая «закон силы» раздражения.

Раздражители могут быть одиночные и серийные.

Одиночные раздражители различаться по силе, длительности, форме, скорости нарастания и уменьшения силы (градиенту) (рис. 809141947).

Рис[V.G.23] . 809141947. Различие параметров одиночных раздражителей (стимулов): а — по силе, b — по длительности, c — по скорости нарастания силы (градиенту), d — по форме (первый – прямоугольный, два последующих – трапецевидные[V.G.24] ).

Серийные раздражители различаться по частоте, меандру (паттерну, рисунку) (рис. ).

Рис[Б25] . . Различие параметров серийных раздражителей (стимулов): А — по частоте, B — по соотношению продолжительности стимула к продолжительности паузы (скважности), C — по характеру и порядку следования импульсов (меандру).

Обратите внимание, все вышеперечисленные характеристики относятся к раздражителям любой модальности.

Внимание! Таких стимулов, которые нередко изображают студенты, быть не может.

Рис. . Определение скважности. Объяснения в тексте.

Рис. . Однополярный меандр со скважностью 3. Объяснения в тексте.

Рис. . Место расположения и полярность раздражающего электрода. Объяснение в тексте.

Другими словами возбуждение может возникнуть только в месте прохождения токов выходящего направления (рис. ).

Рис. . Направление деполяризующих выходящих (А, B) и гиперполяризующих входящих токов (C, D). Объяснение в тексте.

Эффективность раздражения определяется не только абсолютным значением тока, но и плотностью тока под стимулирующим электродом. Плотность тока определяется отношением величины тока, протекающего по цепи, к величине площади электрода. Поэтому при монополярном раздражении площадь активного электрода всегда меньше пассивного (рис. )[Б30] .

Рис. . Соотношение площадей активного и пассивного электродов. Объяснение в тексте.

Недостаток внеклеточного подведения тока заключается в значительном ветвлении его тока: только часть его проходит через мембраны клеток, часть же ответвляется в межклеточные щели. Вследствие этого при раздражении приходится применять ток значительно большей силы, чем необходимо для возникновения возбуждения.

Рис. 210041846. Ветвление тока в ткани при раздражении через наружные (внеклеточные) электроды (схема). Волокна возбудимых клеток (ткани) обведены толстой линией, между ними – межклеточные щели [++421+c62]. Объяснение в тексте.

По вышеперечисленным причинам и в первом опыте Гальвани лучше наносить стимул биметаллическим пинцетом на нерв

Рис. . Направление деполяризующих выходящих (А, B) и гиперполяризующих входящих токов (C, D). Объяснение в тексте.

При внутриклеточном способе подведения тока к клеткам —– микроэлектрод вводят в клетку, а пассивный электрод прикладывают к поверхности ткани. В этом случае весь ток проходит через мембрану клетки, что позволяет точно определить наименьшую силу тока, необходимую для возникновения потенциала действия. При таком способе раздражения отведение потенциалов производят с помощью второго внутриклеточного микроэлектрода. Пороговая сила тока, необходимая для возникновения возбуждения различных клеток при внутриклеточном раздражающем электроде, равна 10^-7 ‑ 10^-9 А.

Закон силы

Прежде всего, необходимо помнить, что возбуждение может возникнуть при деполяризации мембраны до критического уровня (КУД). Раздражитель минимальной силы, вызывающий возбуждение называется пороговым. Раздражитель, сила которого превышает пороговый уровень, называется сверхпороговым. Следует обратить внимание на то, что, чем больше сила сверхпорогового раздражителя, тем быстрее возникает возбуждение.

Введение понятия «порог раздражения» как следствия закона силы является очень важным для оценки возбудимости объекта[Б33] .

Рис. 1306000041. Закон силы.

A ‑ подпороговый стимул, B – по­­роговый стимул, C – сверх­по­ро­го­вый стимул.

Вверху – изменения мембранного потенциала при раздражении, внизу – раздражающие стимулы. ПП – уровень мембранного потенциала покоя, КУД – критический уровень деполяризации (порог). ПД – потенциал действия. Объяснения в тексте.

Закон времени

Следует подчеркнуть, что согласно закону времени, слишком короткие по длительности стимулы не способны вызвать возбуждение, какими бы сильными они небыли. Это используется в физиотерапии при получении калорического эффекта при воздействии токами высокой частоты[Б34] .

Рис. 209271137. Закон времени

A — подпороговый стимул достаточной длительности для возникновения потенциала действия, B — по­­роговый стимул, недостаточной длительности для возникновения потенциала действия C — подпороговый стимул более чем достаточной длительности для возникновения потенциала действия.

Вверху – изменения мембранного потенциала при раздражении, внизу – раздражающие стимулы. ПП – уровень мембранного потенциала покоя, КУД – критический уровень деполяризации (порог). ПД – потенциал действия. Объяснения в тексте.

Важным следствием закона времени является введение понятия полезное время – минимальное время, которое необходимо для действия рассматриваемого раздражителя, чтобы возникло возбуждение. Почему полезное? Потому что дальнейшее действие раздражителя на структуру в состоянии возбуждения бесполезно, ничего уже не изменишь. Бесполезно теряется время.

Рис. 209271409. Полезное время при стимулах разной длительности.

A ‑ стимул по длительности равен полезному времени, B – стимул по длительности больше полезного времени.

Вверху – изменения мембранного потенциала при раздражении, внизу – раздражающие стимулы. ПП – уровень мембранного потенциала покоя, КУД – критический уровень деполяризации (порог). ПД – потенциал действия. Объяснения в тексте.

Чем больше сила раздражителя, тем меньше полезное время. Но об этом чуть позже.

Закон градиента

Рис. . Закон градиента.

Рис. 809150447. Кривая «сила – время» Гоорвега-Вейса-Лапика

Сначала для дозирования времени воздействия электрического тока на ткань был применен пистолет, пуля которого могла замыкать и размыкать контакты электрической цепи в течение короткого интервала времени, а затем, для регулирования длительности раз­дражения, стал использоваться заряд конденсаторов различной емкости[Б41] . Из­вестно, что время разряда конденсато­ра определяется величиной его емко­сти и сопротивлением цепи разряда[Б42] . Упомянутые методические приемы поз­волили Л.Лапику наносить раздраже­ния очень короткой длительности (до 0,001 с и меньше) и исследовать зави­симость ответной реакции от силы и длительности раздражения[Б43] .

Кривые «силы-времени» хорошо характеризуют возбудимость объектов. Очевидно, возбудимость структуры 1 больше, чем 2.

Рис. . Сравнение возбудимости двух возбудимых структур.

Хронаксия, хронаксиметрия[Б44]

Для числовой характеристики экспериментально полученных зависимостей часто используют показатель называемый хронаксией.

Хронаксия (от греч. chrónos — «время» и axía — «цена», «мера») — полезное время [Б45] раздражения, сила которого равна удвоенной реобазе минимальное время[A46] [Б47] .

Понятие «хронаксия» введено французским физиологом Луисом Лапиком в 1909 году.

Рис[V.G.48] . 209272000. Зависимость между силой тока и временем его действия. Хронаксия (по Гоорвегу, Вейсу и Лапику). Р — реобаза, Хр — хронаксиия.

При хронаксиметрии вначале определяется реобаза, т.е. пороговая сила раздражения при достаточно большой его длительности[Б49] . Время, в течение которого действует или должен действовать пороговый раздражитель, равный значению реоба­зы, получило название полезного вре­мени[Б50] . Определив реобазу, производится удвоение найденного значения и нахо­дится минимальная длительность, при которой это электрическое раздраже­ние способно вызвать возбуждение и ответную реакцию[Б51] — хронаксия.

Хронаксия нервных и поперечнополосатых скелетных мышечных волокон человека равна тысячным и десятитысячным долям секунды[Б52] . У гладких мышечных волокон она значительно больше[Б53] .

Измерение хронаксии — хронаксиметрия — применяется для изучения работы нервного и двигательного аппарата человека и животных. Проводится с помощью специальных приборов хронаксиметров[Б54] . В клинической практике метод хронаксиметрии применяется в диагностических целях и для изучения законо­мерностей патологических процессов[Б55] .

Внимание! Часто студенты пишут «хроноксия». Правильно «хронаксия».

Рис. . Графические способы отображения законов возбуждения.

Для одиночных образований (нерное волокно, мышечное волокно) выполняется закон «всё или ничего[Б57] ».

Если речь идет о целом образовании, например, нервном стволе, содержащем отдельные аксоны, или о скелетной мышце как совокупности отдельных мышечных волокон, то в этом случае каждое отдельное волокно тоже отвечает на раз­дражитель по типу «все или ничего», но если регистрируется суммарная активность объекта (например, внеклеточно отво­димый ПД), то его амплитуда в определенном диапазоне на­ходится в градуальной зависимости [Б58] от силы раздражителя: чем больше сила раздражителя, тем больше ответ.

Пример: пусть имеется нервный ствол, состоящий из 10 аксонов.

Пороги раздражения для них таковы: 30 мВ — 1-й, 40 мВ — 2, 3, 4-й, 50 мВ — 5, 6, 7, 8-й и 60 мВ — 9 и 10-й аксоны. Следовательно, при 30 мВ — активируется 1 аксон, при 40 мВ — 4 (1-й-+-2, 3, 4-й), при 50 мВ — 8 (1-й+2, 3, 4-й + 5, 6, 7, 8-й), а при 60 мВ — все 10 волокон.

Рис. . Градуальная зависимость между силой раздражения нервного ствола и числом возбужденных нервных волокон. Объяснение в тексте.

Рис. 210041815. Закон силы раздражения в приложении к составной возбудимой структуре (нерву, мышце).

6. Действие постоянного подпорогового тока на возбудимые структуры[Б62] [a63]

В 1859 г. немецкий физиолог Пфлюгер Э.Ф.В. установил, что если на нерв воздействовать слабым (подпороговым) постоянным током, то его возбуди­мость под катодом повышается, а под анодом снижается.

В 1883 г. российский (пермский) физиолог Б.Ф.Вериго значительно до­полнил наблюдения Э.Пфлюгера и пока­зал, что как повышение возбудимости под катодом, так и снижение её под анодом характерно только для перво­начального действия постоянного подпорогового тока, т.е. это явление временное. Если ток действует достаточно долго[Б65] , то под катодом воз­будимость снижается, становясь мень­ше исходной (в состоянии покоя), а под анодом может повыситься.

Как это объясняют? Разберём механизм действия постоян­ного подпорогового тока на возбудимые структуры в рамках мембранной теории возбуждения.

Вначале выясним вопрос как располагаются электроды, через которые на возбудимую структуру подаётся подпороговый ток.

Раздражающие электроды могут быть расположены внеклеточно (рис. 209220945) и внутриклеточно (рис. 209220946). [A67]

Рис. 209220945. Схема опыта по влиянию постоянного подпорогового тока на возбудимость при внеклеточной «аппликации тока».

Рис. 209220946. Схема опыта по влиянию постоянного подпорогового тока на возбудимость при внутриклеточной «инъекции тока».

При внеклеточном расположении электродов говорят об «аппликации тока», при внутриклеточном — об «инъекции тока[A68] ». У одного и другого способа воздействия есть достоинства и недостатки[V.G.69] .

При «инъекции тока» по сравнению с «аппликацией тока» все будет наоборот: то, что происходит при аппликации под катодом, будет происходить при инъекции анода, а то, что происходит при аппликации под анодом, будет происходить при инъекции катода.

Мы подробно рассмотрим действие тока при его аппликации (внеклеточном расположении электродов), как это делали классики Э.Пфлюгер и Б.Ф.Вериго.

Вначале действия постоянного тока под като­дом происходит деполяризация мембраны (физический катэлектротон), а под анодом — гиперполяризация (физический анэлектротон) (рис. 209192100).

Для облегчения понимания разбираемых явлений введём конкретные числовые значения величин. На рис. 209192100 под катодом уровень мембранного потенциала поднялся с ‑80 мВ (потенциал покоя) до ‑70 мВ (состояние деполяризации). Под анодом катодом уровень мембранного потенциала снизился с ‑80 мВ (потенциал покоя) до ‑90 мВ (состояние гиперполяризации).

Не будем забывать, что если уровень мембранного потенциала изменился от –80 до‑70 мВ говорят о его уменьшении, а с –80 до –90 мВ — о его увеличении.

При этом вначале действие постоянного тока уровень критической деполяризации или не изменяется, или его изменения малы по сравнению со сдвигами мемб­ранного потенциала.

Следовательно, мембранный потенциал под катодом приближается, а под анодом удаляется от критического уровня деполяризации. Значит под катодом порог раздражения уменьшается на 10 мВ и возбудимость растёт, а под катодом увеличивается на 10 мВ и возбудимость уменьшается.

Не забыли, что такое порог раздражения? Это критический уровень деполяризации (критический потенциал) минус мембранный потенциал (КУД-МП).

При длительном действии постоян­ного тока, как и при воздействии мед­ленно нарастающих по силе раздра­жителей, происходит сдвиг критическо­го уровня деполяризации (КУД). При этом направленность сдвига критического уровня деполяризации и под катодом и под анодом соответствует изменению мембранного потенциала, а абсолютная величина сдвига будет больше. Это в конечном итоге приводит к снижению возбудимости под катодом (катодическая депрессия), а под анодом к возможному её повышению (анодическая экзальтация) (рис. 209192100).

[V.G.70]

Рис. . Изменение электрофизиологических параметров возбудимых структур при действии постоянного подпорогового тока. КУД – критический уровень деполяризации, ПП – потенциал покоя, МП – мембранный потенциал. Возбудимость выражена в единицах преодоления порога раздражения в состоянии покоя (КУД-ПП). Стрелкой отмечено начало действия тока.

В нашем примере (рис. 209192100) уровень КУД под катодом повышается с –60 мВ до –40 мВ. Значит, порог раздражения становится равным 30 мВ. Т.е. он больше порога раздражения в состоянии покоя клетки на 10 мВ.

Под анодом в нашем примере (рис. 209192100) уровень КУД снижается с –60 мВ до –80 мВ. Значит, порог раздражения становится равным 10 мВ. Т.е. он меньше порога раздражения в состоянии покоя клетки на 10 мВ.

Ещё раз повторим введенные выше понятия.

Физический электротон [Б71] — изменение значения мембранного потенциала, создаваемое пропусканием через данный участок мембраны электрического тока от внешнего (для данного участка мембраны) источника подпороговой силы. Это «пассивное» явление, определяемое внешним током и физическими свойствами покоящейся мембраны. Различают физический катэлектротон (рис. 2091921001), создаваемый выходящим током, и физический анэлектротон (рис. 2091921002), создаваемый входящим током.

Физиологический электротон — это изменение возбудимости мембраны, создаваемое пропусканием через данный участок мембраны электрического тока от внешнего (для данного участка мембраны) источника подпороговой силы. Это «активное» явление, определяемое внешним током и физиологическими свойствами покоящейся мембраны. Различают физиологиский катэлектротон (рис. 2091921001), создаваемый выходящим током, и физиологический анэлектротон (рис. 2091921002), создаваемый входящим током.

Физиологический электротон наблюдается в начале действия тока, при длительном действии он сменяется катодической депрессией и анодической экзальтацией.

Рис. 2091921001. Электрофизиологические феномены под катодом при действие постоянного подпорогового тока на возбудимые структуры. Элемент рис. 209192100.

Рис. 2091921002. Электрофизиологические феномены под анодом при действие постоянного подпорогового тока на возбудимые структуры. Элемент рис. 209192100.

Приставки кат- и ан- указывают на то, что такие токи и состояния возникают в области приложения к возбудимой структуре соответственно катода и анода. Ещё раз подчеркнём, что приставки кат‑ и ан‑ используются для случая внеклеточного расположения электродов.

Рис. 209201305. Выраженность катэлектротона и анэлектротона на разных участках нервного ствола вначале действия постоянного подпорогового тока.

Точнее эти изменения возбудимости показаны на рис. 2092013053 [++501+].

Рис. . Выраженность катодической депрессии и анодической экзальтации на разных участках нервного ствола при длительном действии постоянного подпорогового тока.

7. Замыкательно‑размыкательные законы (полярный закон) Э.Ф.В.Пфлюгера

При раздражении нерва или мышцы постоянным током возбуждение возникает в момент замыкания постоянного тока только под катодом, а в момент размыкания — только под анодом. Эту закономерность открыл в 1859 г. Э.Пфлюгер.

Как это было сделано?

Умертвили участок нерва (рис. 209231300). При этом электротоническое проведение тока на поврежденном участке сохранилось, а возбудимость этого участка исчезла. Один из электродов установили на поврежденном участке, а второй — на неповрежденный.

Рис. 209231300. Полярный закон Э.Пфлю­ге­ра. Объяснение в тексте.

Если с неповрежденным участком соприкасается катод, возбуждение возникало в момент замыкания тока. Если же катод устанавливали на поврежденном участке, а анод — на неповрежденном, возбуждение возникает только при размыкании тока[Б72] .

Рис. . Анодно-размыкательное возбуждение. КУД – критический уровень деполяризации, ПП – потенциал покоя, ПД – потенциал действия, АЭТ – анэлектротон, АЭ – анодическая экзальтация. Объяснение в тексте.

Рис.209251057

При более сильном токе происходят в принципе такие же процессы, но скорость нарастания деполяризации увеличивается и, следовательно, повышается частота генерирования потенциалов действия. Сравните рис.209251057 и рис.209251135.

Рис.209251135

При длительном действии деполяризующего стимула частота генерирования постепенно уменьшается (рис. 209251205). Это явление называется адаптацией [++501+C.48].

Рис. 209251205

Рис.209251235

Частотный оптимум и пессимум [V.G.75] ритмической стимуляции

Казалось бы, с увеличением частоты стимулов должна непрерывно увеличиваться частота ответов возбудимых структур, естественно до предела, определяемого лабильностью раздражаемой структуры. Однако на деле ситуация оказывается сложнее (рис. 209231607).

Рис. 209231607. Зависимость частоты ответов возбудимой структуры с рефрактерностью 5 мс (для стимула максимальной силы) от частоты стимуляции.

Для облегчения понимания введём конкретные числовые выражения. Условно определим интервалы временной продолжитель­ности периодов рефрактерности модельной возбудимой структуры:

1. абсолют­ная рефрактерность ‑ 5 мс,

2. относитель­ная рефрактерность – 5 мс.

Отсюда можно рассчитать частоту ритма раздражения, при кото­ром импульсы раздражающего тока будут совпадать с той или иной фазой возбудимости.[++484+C.242]

Расчёт показывает, что^{при раздражении с частотой ритма менее 100 Гц все пороговые и сверхпороговые стимулы будут восприниматься раздражаемой структурой.}

При частоте стимуляции более 100 Гц число воспринятых стимулов в единицу времени будет зависеть от силы стимулов, их способности преодолеть порог раздражения при относительной рефрактерности (рис. 209231646 A).

Рис.209231646. Соответствие числа ответов (R) числу стимулов (S). Заштрихованные клеточки соответствуют абсолютной рефрактерности возбудимой структуры. Одна клеточка = 1 мс.

Рассмотрим случай, когда сила стимулов достаточная чтобы преодолеть любой период относительной рефрактерности, тогда препятствием для восприятия стимула будет только абсолютная рефрактерность. Т.е. рефрактерность будет равна 5 мс.

Согласно нашей концептуальной модели раздражение с частотой чуть менее 200 Гц даст максимально возможную частоту ответов равную тем же 200 Гц (рис. 209231646 B).[V.G.76] как Как

Следовательно, при раздражении с частотой ритма чуть бо­лее 200 Гц [V.G.77] многие импульсы тока будут действовать на ткань, когда она не способна отвечать на них. Ритм раздражения подвергается трансформации в более медленный ритм возбуждения. Будет неэффективен каждый 2‑й стимул (рис. 209231646 С). Частота ответов упадёт до 100 Гц.

Дальнейший рост частоты стимуляции приводит к увеличению частоты возбуждений, но каждый второй стимул, а затем третий, четвёртый и т.д. стимул останется без ответа. На рис.209231607 представлена зависимость частоты ответов от частоты стимуляции.

Как видно из графика, максимальная частота ответов которую мы можем достичь при выбранных параметрах стимула и возбудимой структуры равна 200 Гц.

Частота при которых достигается максимальная частота ответов названы Н.Е.Введенским оптимальной частотой. На графике мы видим, что в нашем примере оптимальными являются частоты кратные 200 Гц — 200, 400, 600, 800 и т.д. Сразу за оптимальными следуют пессимальные частоты, по Н.Е. Введенскому высокие частоты раздражения, вы­зывающие уменьшение ответа (201, 401, 601, 801 и т. д. Гц).

Как изменятся частотные оптимумы и пессимумы раздражения при снижении силы стимуляции? Очевидно, для этих стимулов возрастёт длительность рефрактерного периода.

Как видно из графика (рис. 209231608), максимальная частота ответов, которую мы можем достичь при выбранных параметрах стимула и возбудимой структуры, равна 125 Гц. Оптимальными являются частоты кратные 125 Гц.

Рис. 209231608. Зависимость частоты ответов возбудимой структуры с рефрактерностью 8 мс (для стимула средней силы) от частоты стимуляции.

При использовании пороговой стимулов рефрактерность возбудимой структуры будет равна АРП+ОРП, в нашем примере 10 мс. Как видно из графика (рис. 209231609), в этом случае максимальная частота ответов, которая достижима при выбранных параметрах стимула и возбудимой структуры равна 100 Гц. И как мы уже отметили, именно этой частоте кратны оптимальные частоты раздражения.

Рис. 209231608. Зависимость частоты ответов возбудимой структуры с рефрактерностью 8 мс (для стимула средней силы) от частоты стимулции.

Можно сделать вывод, что если выполняются законы раздражения (силы, времени, градиента) для одиночного стимула, то оптимум при серийных раздражениях этим стимулом будет не больше 1/АРП и не меньше 1/(АРП+ОРП). Т.е. лабильность определяется длительностью рефрактерных периодов.

Лабильность неодинакова не только у разных тканей, но и у разных струк­турных единиц одной и той же ткани. Более того, даже у клетки лабильность непостоянна и определяется ее функ­циональным состоянием.

Не следует путать понятия «усталость», «пессимальное торможение» и пессимальная частота раздражения. Если мы наблюдаем пессимальную частоту раздражения, стоит нам незначительно уменьшить частоту стимуляции и мы отметим значительный рост частоты возбуждений.

Рис. 209251331. Зависимость частоты ответов возбудимой структуры от частоты стимулов..

При усталости и пессимальном торможении этого не произойдет. Причину мы выясним в дальнейшем.

Парабиоз Н.Е.Введенского

Экспериментальные факты, состав­ляющие основу учения о парабиозе, Н.Е.Вве­ден­ский (1901) изложил в своем классическом труде «Возбужде­ние, торможение и наркоз».

Опы­ты проводились на нервно-мышечном препарате. Схема опыта показана на рис. 2092313240 и 209231324.

Нервно-мышечный препа­рат помещался во влажную камеру, а на его нерв накладывались три пары электродов:

1. для нанесения раздражения (стимуляции)

2. для отведения биотоков до участка, на который предполагалось воздействовать химическим веществом.

3. для отведения биотоков после участка, на который предполагалось воздействовать химическим веществом.

Кроме этого, в опытах регистрировались сокращение мышцы и потенциал нерва между интактным и альтерированным участка­ми.

О частоте следования импульсов после альтерированного участка можно было судить по наличию, характеру и амплитуде тетанического сокращения икроножной мышцы. Но к этому мы вернёмся изучив физиологию мышечного сокращения (лекция 5).

Если же участок между раздра­жающими электродами и мышцей под­вергнуть действию наркотических ве­ществ и продолжать раздражать нерв, то ответ на раздражение через некото­рое время исчезает[V.G.78] .

Рис. 209231324. Схема опыта

Н.Е.Вве­денский, исследуя в подобных условиях действие наркотиков и

Закон «Все или ничего» для нервов и мышц

Закон «все или ничего» — это принцип, согласно которому сила реакции нервной клетки или мышечного волокна не зависит от силы стимула. Если стимул превышает определенный порог, срабатывает нерв или мышечное волокно. По сути, либо будет полный ответ, либо не будет ответа вообще для отдельного нейрона или мышечного волокна.

Как работает закон «Все или ничего»?

Если стимул достаточно силен, возникает потенциал действия, и нейрон посылает информацию по аксону от тела клетки к синапсу.Изменения в поляризации клетки приводят к тому, что сигнал распространяется по длине аксона.

Потенциал действия — это всегда полный ответ. Не существует такого понятия, как «сильный» или «слабый» потенциал действия. Напротив, это процесс по принципу «все или ничего». Это сводит к минимуму вероятность потери информации по пути.

Этот процесс аналогичен нажатию на спусковой крючок пистолета. Очень легкого нажатия на спусковой крючок будет недостаточно, и пистолет не выстрелит.Однако, когда к спусковому крючку приложено соответствующее давление, он срабатывает.

Скорость и сила пули не зависят от того, насколько сильно вы нажимаете на спусковой крючок. Пистолет либо стреляет, либо нет. В этой аналогии стимул представляет собой силу, приложенную к спусковому крючку, в то время как выстрел из пистолета представляет собой потенциал действия.

Определение силы стимула

Организму все еще необходимо определить силу или интенсивность раздражителя. Например, важно знать, насколько горячая чашка кофе, когда вы делаете первый глоток, или чтобы определить, насколько сильно кто-то пожимает вам руку.

Чтобы измерить интенсивность стимула, нервная система полагается на скорость, с которой нейрон срабатывает, и сколько нейронов срабатывает в любой момент времени. Нейрон, срабатывающий с большей скоростью, указывает на стимул большей интенсивности. Многочисленные нейроны, срабатывающие одновременно или в быстрой последовательности, также указывают на более сильный стимул.

Если вы сделаете глоток кофе, и он будет очень горячим, сенсорные нейроны во рту отреагируют очень быстро. Очень крепкое рукопожатие коллеги может привести как к быстрому срабатыванию нейронов, так и к ответу многих сенсорных нейронов в вашей руке.В обоих случаях частота и количество срабатываний нейронов предоставляют ценную информацию об интенсивности исходного стимула.

Открытие закона «Все или ничего»

Закон «все или ничего» был впервые описан в 1871 году физиологом Генри Пикерингом Боудитчем. В своих описаниях сокращения сердечной мышцы он объяснил: «Индукционный шок вызывает сокращение или не может этого сделать в зависимости от его силы; если он вообще это делает, он производит самое сильное сокращение, которое может быть произведено любой силой. стимула в состоянии мышцы в то время.»

Хотя закон «все или ничего» изначально применялся к мышцам сердца, позже было обнаружено, что нейроны и другие мышцы также реагируют на стимулы в соответствии с этим принципом.

Excitation Contraction Coupling — обзор

EC Coupling: Ca-индуцированное высвобождение Ca, искры Ca и Ca-волны

ECC требует притока Ca через канал Cav1.2 (или суррогатный путь), который поднимает щель [Ca] _i , чтобы активировать открытие RyR и выпуск SR Ca.Если внеклеточный Ca удаляется или I _Ca ингибируется, происходит немедленное (<1 секунды) прекращение сердечных переходных процессов Ca (эффект не наблюдается в скелетных мышцах). В физиологических условиях, вероятно, имеется достаточно каналов Ca L-типа в каждом соединении (10-15), чтобы гарантировать, что хотя бы один откроется во время AP, что достаточно для повышения локального [Ca] _i , достаточного для активации хотя бы одного примерно 100 RyR в расщелине. Как только один канал RyR открывается, он может привлечь больше RyR в расщелину, и считается, что от шести до 15 отдельных открытий RyR могут составлять нормальное событие локального высвобождения.В крошечной щели локальный [Ca], вероятно, поднимается до пика, превышающего 100 мкМ. Однако по мере того, как Са диффундирует прочь, локальное [Ca] _i на участках за пределами щели намного ниже и уменьшается по мере удаления из-за трехмерной диффузии (пик [Ca] _i ~ 500-1000 нм ). Повсюду в миоцитах и ​​сердце эти локальные события высвобождения синхронизируются AP и почти одновременной активацией I _Ca на каждом стыке. Эта синхронизация важна для функционально эффективной ECC.

Самопроизвольное высвобождение Ca из SR (искры Ca) также может происходить в отсутствие тока Ca (рис. 16-5, A и B ). Это связано с тем, что открытие RyR является стохастическим и подвержено влиянию [Ca] _i , [Ca] _SR и модуляции RyR (например, путем фосфорилирования, окисления или связанных с заболеванием мутаций, как показано в RyR2 или кальсеквестрине с катехоламинергическими полиморфными соединениями). вентрикулярная тахикардия). Даже если нормальная вероятность открытия составляет 10 ⁻⁴ с ⁻¹ и имеется 1 миллион RyR на ячейку, можно ожидать, что в каждой ячейке будет примерно 100 открытий RyR в секунду.Каждый из них может участвовать в одной и той же локальной положительной обратной связи вызванного Ca высвобождения Ca и вызывать срабатывание одного соединения, подобное тому, которое инициируется триггером I _Ca . Эти стохастические искры Ca рассматриваются как фундаментальная единица высвобождения Ca из SR, а нормальный переходный процесс ECC Ca представляет собой пространственно-временное суммирование примерно 15000 этих локальных событий высвобождения Ca, по одному на каждом стыке.

В нормальных условиях выделение SR Ca на одном стыке не запускает высвобождение Ca из соседнего стыка, который находится либо на расстоянии 2 мкм в продольном направлении (на следующей Z-линии), либо примерно на 0.5 мкм в поперечном направлении. То есть мы обычно видим пространственно дискретные искры Са. Это связано с тем, что [Ca] _i на таком расстоянии слишком низкое, чтобы активировать следующее соединение, потому что для этого требуется более высокое локальное [Ca] _i около устья канала Ca. Однако есть условия, при которых этот жесткий локальный контроль теряется, и волны Са могут распространяться и становиться аритмогенными.

При каких условиях благоприятствуют волны Ca? Те же условия, которые увеличивают возбудимость RyR и частоту искр Ca, имеют тенденцию увеличивать способность искр Ca распространяться как волны Ca (см. Рис. 16-5, A , C и D ).Самый простой и известный случай — перегрузка клеток и SR Ca. Поскольку открытию RyR способствует как высокое локальное расщепление [Ca], так и повышенное [Ca] _SR , повышенная частота искр Ca при загрузке Ca благоприятна (например, ингибирование Na / K-АТФазы, удлинение AP, β-адренергическая активация или учащение пульса). В этих случаях также наблюдается большее высвобождение SR Ca во время каждой искры Ca (из-за более высокого [Ca] _SR и движущей силы), и это может накладываться на повышенный фон [Ca] _i .Эти факторы увеличивают повышение [Ca] _и , которое вызывает искра из кальция в соседнем переходе. Кроме того, следующий переход имеет более высокую чувствительность к [Ca] _i из-за более высокого [Ca] _SR , и эти эффекты синергизируются, чтобы увеличить вероятность того, что искра Ca станет волной Ca. По мере того, как загрузка Ca прогрессирует, часто могут возникать небольшие прерванные мини-волны перед наблюдением полномасштабных волн Ca, которые проходят через весь миоцит. Именно эти волны Са в масштабе всей клетки могут активировать достаточный внутренний ток NCX, который может вызвать запускаемые аритмии.

SR Утечка Ca во время диастолы состоит из утечки, которая определяется как искры Ca, плюс утечка Ca, которая не обнаруживается как искры Ca. ²⁰ Таким образом, хотя искры Ca могут обеспечить удобное считывание информации об утечке SR Ca, протокол тетракаина Шеннона-Берса оценивает все RyR-зависимые утечки и первым продемонстрировал, что утечка SR Ca увеличилась в HF (рис. 16-6. , В ). ^21,22 По-видимому, существует небольшой, но значительный компонент утечки SR Ca, который не опосредуется ни RyR, ни родственным рецептором InsP ₃ (InsP ₃ R). ²⁰

Миоциты предсердий, у которых отсутствуют Т-канальцы, не могут использовать I _Ca для синхронизации высвобождения во внутренних кластерах RyR, которые существуют вдоль Z-линий. Вместо этого нормальный режим ECC в этих клетках включает распространяющееся Ca-индуцированное высвобождение Ca (волны Ca) для активации центра клетки. Неизвестно, связано ли это с тем, что миоциты предсердий имеют тенденцию быть более нагруженными кальцием в исходных условиях (по сравнению с миоцитами желудочков), или есть структурные или регуляторные различия в RyR.Однако это может предрасполагать предсердные миоциты к тому, чтобы они были на грани образования потенциально аритмогенных волн Са.

Как заканчивается выпуск SR Ca? Поскольку Са-индуцированное высвобождение Са является по своей сути системой положительной обратной связи, важно учитывать, как прекращается высвобождение Са SR. Поскольку освобождение обычно прекращается, когда уровни [Ca] _SR истощаются только примерно на 50% (либо во время глобальных событий ECC, либо во время искр Ca), должно быть что-то, что нарушает положительную обратную связь.Имеются убедительные доказательства того, что на стробирование сердечного RyR сильно влияет просвет [Ca] _SR , так что открытие RyR благоприятно при высоком [Ca] _SR (усиление инициирования искры Ca), а закрытие RyR благоприятно при более низком [Ca] _SR . Эксперименты показывают, что высвобождение прекращается примерно при 400 мкМ [Ca] _SR как во время искры Ca, так и во время ECC, а также при небольшом пространственном градиенте [Ca] _SR . ²³ Таким образом, кажется, существует внутренний тормоз, который препятствует завершению этой положительной обратной связи.Это происходит при уровне [Ca] _SR , аналогичном тому, при котором искры ECC и Ca выходят из строя по мере уменьшения [Ca] _SR (см. Рис. 16-3), и это, вероятно, функционально связанные эффекты.

Почему не удается активировать определенное соединение? Это может быть связано с несколькими факторами. Во-первых, деполяризация могла не активировать достаточный вход через I _Ca . Это может произойти, если Ca-каналы являются невосприимчивыми или заблокированы, но это также может произойти при очень положительных потенциалах, относящихся к выбросу AP.При положительных потенциалах единичный ток через Са-каналы уменьшается из-за движущей силы, и, таким образом, может потребоваться открытие большего количества Са-каналов в соединении, чтобы поднять щель [Са] в достаточной степени, чтобы гарантировать активацию RyR. Примечательно, что часто наблюдаемая ранняя реполяризация (фаза 1) сердечного AP служит для быстрого увеличения движущей силы для входа Ca через активированные LTCC. ²⁴ Во-вторых, если [Ca] _SR низкое, расщелина [Ca], необходимая для активации первого RyR, выше, поэтому тот же I _Ca может не инициировать активацию RyR. ²⁵ Действительно, зависимость частоты искрового разряда Ca и диастолической утечки Ca от [Ca] _SR аналогична зависимости от фракционного высвобождения Ca SR во время ECC (см. Рисунок 16-3). Даже если происходит первое размыкание RyR, несколько факторов при низком [Ca] _SR ограничивают вероятность того, что он задействует другой RyR в куплоне. То есть, если стохастическое закрытие как I _Ca , так и первого открытого RyR происходит до того, как будет задействован другой RyR, полный выпуск или искра будут прерваны. Этому способствует несколько факторов.При низком [Ca] _SR уменьшенная движущая сила и более короткое открытое время создают как нижнюю щель [Ca], которая длится более короткое время, так и соседние RyR, которые также менее чувствительны (т. Е. Требуется больше, чем нормальный триггер, чтобы достичь усиление). В-третьих, RyR также может быть огнеупорным. Хотя рефрактерность RyR не совсем такая же, как рефрактерность канала Na, ясно, что после события высвобождения Са SR требуется некоторое время (0,5-10 сек), чтобы RyR восстановил свою максимальную чувствительность к расщелине [Ca].Обратите внимание, что это отличается от времени, которое требуется Са-АТФазе SR для пополнения SR между ударами, и дополняет его. Эта резистентность к RyR может быть важной внутренней защитой от аритмогенных волн Са, хотя она может быть вовлечена в развитие альтернативного сердца. Примечательно, что эта рефрактерность RyR не является абсолютной, и восстановление может быть ускорено при повышенных нагрузках Ca, что делает возможным резкое появление волн Ca при определенном пороге нагрузки SR Ca. В-четвертых, физическое разрушение куплона может снизить эффективность I _Ca для активации RyR.Было высказано предположение, что это происходит, когда junctophilin 2 сбивается ²⁶ , а также при HF, при котором снижается Т-трубчатая организация ²⁷ ; в этих случаях эффективность местной неотложной помощи при сердечно-сосудистых заболеваниях может быть снижена. В самых экстремальных местах это будет скорее похоже на ситуацию в не Т-канальцевых областях предсердных миоцитов, где локальный I _Ca не может запускать высвобождение, и высвобождение будет запускаться в основном за счет распространения Са-индуцированного высвобождения Са.

10.3 Возбуждение, сокращение и расслабление мышечных волокон — Анатомия и физиология

Цели обучения

Объясните процесс, связанный с началом сокращения и расслабления мышц

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите связь между двигательными нейронами и мышцами
• Объясните механизм передачи сигналов нейротрансмиттерами, генерирующих постсинаптический электрический сигнал
• Объясните процесс сцепления возбуждения-сжатия
• Объясните, как сокращение и расслабление мышц связаны с обработкой кальция в саркоплазматическом ретикулуме
• Схема процесса переброски на велосипеде

Процесс мышечного сокращения начинается в том месте, где терминал двигательного нейрона встречается с мышечным волокном, — нервно-мышечное соединение (НМС) .Каждое волокно скелетных мышц в каждой скелетной мышце иннервируется двигательным нейроном в СНС. Сигналы возбуждения от двигательного нейрона — единственный способ функционально активировать сокращение мышечных волокон.

Внешний веб-сайт

Каждое волокно скелетных мышц снабжается двигательным нейроном в СНС. Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о том, что происходит в СМП. а) Что означает моторная единица? б) Каковы структурные и функциональные различия между большой моторной единицей и малой моторной единицей? (c) Вы можете привести пример каждого из них? (d) Почему нейромедиатор ацетилхолин разлагается после связывания с его рецептором?

Все живые клетки имеют мембранные потенциалы или электрические градиенты на мембранах, основанные на распределении положительно и отрицательно заряженных ионов.Внутренняя часть мембраны обычно составляет от -60 до -90 мВ относительно внешней стороны. Нейроны и мышечные клетки могут использовать свои мембранные потенциалы для генерации и проведения электрических сигналов, контролируя движение заряженных ионов через свои мембраны для создания электрических токов. Это движение контролируется избирательным открытием и закрытием специализированных белков в мембране, называемых ионными каналами. Хотя токи, создаваемые ионами, движущимися через эти канальные белки, очень малы, они составляют основу как нейронной передачи сигналов, так и сокращения мышц.

И нейроны, и клетки скелетных мышц электрически возбудимы, что означает, что они способны генерировать потенциалы действия. Потенциал действия — это особый тип электрического сигнала, который может перемещаться по клеточной мембране в виде волны. Это позволяет быстро и точно передавать сигнал на большие расстояния.

В скелетных мышцах высвобождение кальция, позволяющее начать образование поперечных мостиков и сокращение, связано с возбуждением, сигнализирующим о потенциалах действия от мотонейрона.Таким образом, процесс связи возбуждения-сокращения начинается с передачи сигналов от нервной системы в нервно-мышечном соединении (рис. 10.3.1) и заканчивается высвобождением кальция для сокращения мышц.

Рисунок 10.3.1 — Концевая пластина двигателя и иннервация: В NMJ терминал аксона освобождает ACh. Моторная пластинка — это место расположения ACh-рецепторов в сарколемме мышечного волокна. Когда молекулы ACh высвобождаются, они диффундируют через небольшое пространство, называемое синаптической щелью, и связываются с рецепторами.

Моторные нейроны, которые заставляют скелетные мышечные волокна сокращаться, берут начало в спинном мозге, меньшее их количество находится в стволе мозга для активации скелетных мышц лица, головы и шеи. Эти нейроны имеют длинные отростки, называемые аксонами, которые специализируются на передаче потенциалов действия на большие расстояния — в данном случае от спинного мозга до самой мышцы (которая может находиться на расстоянии до трех футов). Аксоны нескольких нейронов связываются вместе, образуя нервы, как провода, связанные вместе в кабель.

Передача сигналов начинается, когда потенциал действия нейрона проходит по аксону двигательного нейрона, а затем по отдельным ветвям и заканчивается в НМС. В NMJ окончание аксона выпускает химический мессенджер или нейромедиатор , называемый ацетилхолином (ACh) . Молекулы ACh диффундируют через крошечное пространство, называемое синаптической щелью , и связываются с рецепторами ACh, расположенными в моторной концевой пластине сарколеммы на другой стороне синапса.После связывания ACh канал в рецепторе ACh открывается, и положительно заряженные ионы могут проходить в мышечное волокно, вызывая деполяризацию , что означает, что мембранный потенциал мышечного волокна становится менее отрицательным (ближе к нулю).

По мере деполяризации мышечной мембраны другой набор ионных каналов, называемых потенциалозависимыми натриевыми каналами , запускается для открытия. Ионы натрия попадают в мышечные волокна, и потенциал действия быстро распространяется (или «вспыхивает») по всей мембране, инициируя взаимодействие возбуждения и сокращения.

В мире возбудимых мембран все происходит очень быстро (только подумайте, как быстро вы сможете щелкнуть пальцами, как только решите это сделать). Сразу после деполяризации мембраны она реполяризуется, восстанавливая отрицательный мембранный потенциал. Между тем, ACh в синаптической щели расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой (AChE), так что ACh не может повторно связываться с рецептором и повторно открывать свой канал, что может вызвать нежелательное расширенное возбуждение и сокращение мышц.

Распространение потенциала действия по сарколемме является возбуждающей частью взаимодействия возбуждения-сокращения и должно быть связано с высвобождением ионов кальция для сокращения. Высокие концентрации кальция в скелетных мышцах накапливаются в особом типе органелл гладкой эндоплазматической сети, называемом саркоплазматическим ретикулумом (SR) . Структура SR окружает миофибриллы, обеспечивая хранение и высвобождение кальция непосредственно в местах перекрытия актина и миозина.Возбуждение мышечной мембраны связано с высвобождением кальция в SR через инвагинации в сарколемме, называемых Т-канальцами («Т» означает «поперечный»). Поскольку диаметр мышечного волокна может достигать 100 мкм м, Т-канальцы гарантируют, что потенциал действия на мембране может попасть внутрь клетки и приблизиться к SR по всей саркоплазме. Расположение Т-канальца с мембранами SR с обеих сторон называется триадой (Рисунок 10.3.2).

Рисунок 10.3.2 — Т-трубочка: Узкие Т-трубочки позволяют проводить электрические импульсы. Функции SR регулируют внутриклеточные уровни кальция. Две терминальные цистерны (где увеличенный SR соединяется с Т-канальцем) и один Т-канальец составляют триаду — «тройку» мембран с мембранами SR с двух сторон и Т-канальцем, зажатым между ними.

Чувствительные к напряжению дигидропиридиновые рецепторы (DHPR) на сарколемме механически связаны с кальциевыми каналами в прилегающей мембране SR, называемыми рианадиновыми рецепторами (RyR).Через DHPR потенциал действия в сарколемме запускает открытие RyR, позволяя Ca ⁺⁺ диффундировать из SR в саркоплазму. Именно поступление Ca ⁺⁺ в саркоплазму инициирует сокращение и укорочение саркомеров.

Последовательность событий, которые приводят к сокращению отдельного мышечного волокна, начинается с сигнала — нейротрансмиттера, ACh — от двигательного нейрона, иннервирующего это волокно. Локальная мембрана волокна будет деполяризоваться по мере поступления положительно заряженных ионов натрия (Na ⁺ ), вызывая деполяризацию потенциала действия, который распространяется на остальную часть мембраны, включая Т-канальцы.Это вызывает высвобождение ионов кальция (Ca ⁺⁺ ) из хранилища в саркоплазматическом ретикулуме (SR). Затем Ca ⁺⁺ инициирует сокращение, которое поддерживается АТФ (рис. 10.3.3). Пока ионы Ca ⁺⁺ остаются в саркоплазме для связывания с тропонином, который сохраняет сайты связывания актина «незащищенными», и пока доступен АТФ, чтобы управлять поперечным мостиком и вытягиванием актиновых нитей посредством миозин, мышечное волокно будет продолжать сокращаться до анатомического предела.

Рисунок 10.3.3 — Сокращение мышечного волокна: Между актином и головками миозина образуется поперечный мостик, запускающий сокращение. Пока ионы Ca ⁺⁺ остаются в саркоплазме для связывания с тропонином, и пока доступен АТФ, мышечные волокна будут продолжать укорачиваться. Расслабление мышечного волокна: ионы Ca ⁺⁺ перекачиваются обратно в SR, что заставляет тропомиозин повторно защищать сайты связывания на актиновых нитях. Мышца также может перестать сокращаться, когда у нее заканчивается АТФ и она устает.

Сокращение мышц обычно прекращается, когда заканчивается сигнал от двигательного нейрона, который реполяризует сарколемму и Т-канальцы и закрывает кальциевые каналы в SR. Затем ионы Ca ⁺⁺ закачиваются обратно в SR, что заставляет тропомиозин повторно покрывать сайты связывания на актине (рис. 10.3.2).

Внешний веб-сайт

Высвобождение ионов кальция вызывает мышечные сокращения. Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о роли кальция. а) Что такое «Т-канальцы» и какова их роль? (б) Опишите, как сайты связывания актина становятся доступными для перекрестного связывания с головками миозина во время сокращения.

ОТ скользящей секции нити накала… ведет в секцию цилиндра поперечного моста… .. «Но каждая головка может тянуть только очень короткое расстояние, прежде чем достигнет своего предела, и должна быть« взведена », прежде чем она сможет тянуть снова, шаг, который требуется АТФ ».

Как вы узнали, во время сокращения миозиновые головки толстой нити связываются с актином и тянут тонкую нить, которая укорачивает саркомер и создает силу. Однако длина шарнирной области mysoin позволяет каждой миозиновой головке перемещаться только на очень короткое расстояние, прежде чем она должна снова вернуться в исходное положение.Чтобы тонкие волокна продолжали скользить мимо толстых волокон во время мышечного сокращения, миозиновые головки должны тянуть актин в местах связывания, отсоединяться, повторно взводиться, прикрепляться к большему количеству участков связывания, тянуть, отсоединяться, повторно взбираться и т. Д. Это повторяющееся движение. известен , перекрестно-мостиковый цикл и зависит от АТФ (рис. 10.3.4). Чтобы вернуть миозиновую головку в положение, необходимое для притягивания актина, требуется энергия, обеспечиваемая АТФ.

Рисунок 10.3.4 — Сокращение скелетных мышц: (a) Активный центр актина обнажается, когда кальций связывается с тропонином.(b) Головка миозина притягивается к актину, и миозин связывает актин в своем сайте связывания с актином, образуя поперечный мостик. (c) Во время рабочего такта высвобождается фосфат, образовавшийся в предыдущем цикле сжатия. Это приводит к повороту миозиновой головки к центру саркомера, после чего присоединенные АДФ и фосфатная группа высвобождаются. (d) Новая молекула АТФ прикрепляется к головке миозина, вызывая отсоединение поперечного мостика. (e) Миозиновая головка гидролизует АТФ до АДФ и фосфата, что возвращает миозин в взведенное положение.

Напомним, что каждая головка миозина имеет область, которая связывается с актином, и область, которая связывается с АТФ. Миозин не может высвобождаться из актина до тех пор, пока АТФ также не свяжется, а гидролиз АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (P _i ) затем высвобождает энергию, необходимую для изменения положения или восстановления миозиновой головки.

Образование поперечного мостика происходит, когда миозиновая головка прикрепляется к актину, в то время как аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат все еще связаны с миозином (Рисунок 10.3.4 а, б ). Затем высвобождается P _и , в результате чего миозин формирует более сильное прикрепление к актину, после чего головка миозина перемещается к М-линии, увлекая за собой актин. Когда актин вытягивается, филаменты перемещаются примерно на 10 нм к M-линии. Это движение называется рабочим ходом , так как на этом этапе происходит движение тонкой нити (рис. 10.3.4 c ). В отсутствие АТФ головка миозина не отделяется от актина.

Связывание

АТФ заставляет миозиновую головку отделяться от актина (Рисунок 10.3.4 d ). После этого АТФ превращается в АДФ и P _i за счет внутренней активности миозина АТФазы . Энергия, высвобождаемая во время гидролиза АТФ, изменяет угол наклона головки миозина во взведенное положение (рис. 10.3.4 e ). Головка миозина теперь в положении для дальнейшего движения.

Когда миозиновая головка наклонена, миозин находится в высокоэнергетической конфигурации. Эта энергия расходуется, когда миозиновая головка движется через силовой удар, и в конце силового удара миозиновая головка находится в низкоэнергетическом положении.После силового удара ADP высвобождается; однако сформированный поперечный мостик все еще на месте, а актин и миозин связаны вместе. Пока АТФ доступен, он легко присоединяется к миозину, цикл поперечного моста может повторяться, и сокращение мышц может продолжаться.

Обратите внимание, что каждая толстая нить из примерно 300 молекул миозина имеет несколько миозиновых головок, и многие поперечные мостики образуются и непрерывно разрываются во время сокращения мышц. Умножьте это на все саркомеры в одной миофибрилле, на все миофибриллы в одном мышечном волокне и на все мышечные волокна в одной скелетной мышце, и вы поймете, почему для поддержания работы скелетных мышц требуется столько энергии (АТФ).Фактически, именно потеря АТФ приводит к трупному окоченению, наблюдаемому вскоре после смерти человека. Поскольку дальнейшее производство АТФ невозможно, у миозиновых головок нет АТФ, который мог бы отделиться от участков связывания актина, поэтому поперечные мостики остаются на месте, вызывая жесткость в скелетных мышцах.

АТФ поставляет энергию для сокращения мышц. Помимо своей непосредственной роли в цикле поперечных мостиков, АТФ также обеспечивает энергией насосы активного транспорта Ca ⁺⁺ в SR.Сокращение мышц не происходит без достаточного количества АТФ. Количество АТФ, хранящегося в мышцах, очень мало, его достаточно только для нескольких секунд сокращений. Поэтому, поскольку он расщепляется, АТФ необходимо быстро регенерировать и заменять, чтобы обеспечить устойчивое сокращение. Существует три механизма регенерации АТФ: метаболизм креатинфосфата, анаэробный гликолиз, ферментация и аэробное дыхание.

Креатинфосфат — это молекула, которая может накапливать энергию в своих фосфатных связях.В покоящейся мышце избыток АТФ передает свою энергию креатину, производя АДФ и креатинфосфат. Это действует как запас энергии, который можно использовать для быстрого создания большего количества АТФ. Когда мышца начинает сокращаться и ей требуется энергия, креатинфосфат передает свой фосфат обратно в АДФ, чтобы сформировать АТФ и креатин. Эта реакция катализируется ферментом креатинкиназой и происходит очень быстро; таким образом, АТФ, полученный из креатинфосфата, приводит в действие первые несколько секунд мышечного сокращения. Однако креатинфосфат может обеспечить энергию примерно за 15 секунд, после чего необходимо использовать другой источник энергии (Рисунок 10.3.5).

Рисунок 10.3.5 — Мышечный метаболизм: (a) Некоторое количество АТФ хранится в мышце в состоянии покоя. Когда начинается сокращение, он расходуется за секунды. Больше АТФ вырабатывается из креатинфосфата примерно за 15 секунд. (b) Каждая молекула глюкозы производит две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты, которые можно использовать при аэробном дыхании или преобразовать в молочную кислоту. Если кислород недоступен, пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту, что может способствовать мышечной усталости. Это происходит во время напряженных упражнений, когда требуется большое количество энергии, но кислород не может быть доставлен в мышцы в достаточной степени.(c) Аэробное дыхание — это расщепление глюкозы в присутствии кислорода (O2) с образованием углекислого газа, воды и АТФ. Примерно 95 процентов АТФ, необходимого для покоящихся или умеренно активных мышц, обеспечивается аэробным дыханием, которое происходит в митохондриях.

Когда АТФ, продуцируемый креатинфосфатом, истощается, мышцы превращаются в гликолиз в качестве источника АТФ. Гликолиз — это анаэробный (не зависимый от кислорода) процесс, который расщепляет глюкозу (сахар) с образованием АТФ; однако гликолиз не может производить АТФ так же быстро, как креатинфосфат.Таким образом, переключение на гликолиз приводит к более медленному доступу АТФ к мышцам. Сахар, используемый при гликолизе, может поступать из глюкозы в кровь или за счет метаболизма гликогена, который хранится в мышцах. При распаде одной молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты , которые можно использовать при аэробном дыхании или при низком уровне кислорода преобразовывать в молочную кислоту (рис. 10.3.5 b ).

При наличии кислорода пировиноградная кислота используется при аэробном дыхании.Однако, если кислород недоступен, пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту , что может способствовать мышечной усталости. Это преобразование позволяет рециркулировать фермент NAD ⁺ из NADH, который необходим для продолжения гликолиза. Это происходит во время напряженных упражнений, когда требуется большое количество энергии, но кислород не может быть доставлен в мышцы в достаточной степени. Сам по себе гликолиз не может продолжаться очень долго (примерно 1 минута мышечной активности), но он полезен для облегчения коротких всплесков высокоинтенсивной выработки.Это связано с тем, что гликолиз не очень эффективно использует глюкозу, производя чистый прирост в два АТФ на молекулу глюкозы и конечный продукт — молочную кислоту, которая может способствовать мышечной усталости по мере ее накопления.

Аэробное дыхание — это расщепление глюкозы или других питательных веществ в присутствии кислорода (O ₂ ) с образованием углекислого газа, воды и АТФ. Примерно 95 процентов АТФ, необходимого для покоящихся или умеренно активных мышц, обеспечивается аэробным дыханием, которое происходит в митохондриях.Входы для аэробного дыхания включают глюкозу, циркулирующую в кровотоке, пировиноградную кислоту и жирные кислоты. Аэробное дыхание намного эффективнее анаэробного гликолиза, производя примерно 36 АТФ на молекулу глюкозы по сравнению с четырьмя за счет гликолиза. Однако аэробное дыхание не может поддерживаться без постоянного поступления O ₂ в скелетные мышцы и происходит намного медленнее (рис. 10.3.5 c ). Чтобы компенсировать это, мышцы накапливают небольшое количество избыточного кислорода в белках, называемых миоглобином, что способствует более эффективному сокращению мышц и снижению утомляемости.Аэробные тренировки также повышают эффективность системы кровообращения, так что O ₂ может поставляться в мышцы в течение более длительных периодов времени.

Мышечная усталость возникает, когда мышца больше не может сокращаться в ответ на сигналы нервной системы. Точные причины мышечной усталости полностью не известны, хотя определенные факторы коррелируют со снижением мышечного сокращения, которое происходит во время утомления. АТФ необходим для нормального сокращения мышц, и, поскольку запасы АТФ уменьшаются, функция мышц может снижаться.Это может быть скорее фактором кратковременной интенсивной работы мышц, чем продолжительных усилий с меньшей интенсивностью. Накопление молочной кислоты может снизить внутриклеточный pH, влияя на активность ферментов и белков. Дисбаланс уровней Na ⁺ и K ⁺ в результате деполяризации мембраны может нарушить выход Ca ⁺⁺ из SR. Продолжительные периоды физических упражнений могут повредить SR и сарколемму, что приведет к нарушению регуляции Ca ⁺⁺ .

Интенсивная мышечная активность приводит к дефициту кислорода , то есть количеству кислорода, необходимому для компенсации АТФ, производимого без кислорода во время сокращения мышц.Кислород необходим для восстановления уровней АТФ и креатинфосфата, преобразования молочной кислоты в пировиноградную кислоту, а в печени — для преобразования молочной кислоты в глюкозу или гликоген. Другие системы, используемые во время тренировки, также требуют кислорода, и все эти комбинированные процессы приводят к учащению дыхания после тренировки. До тех пор, пока кислородная задолженность не будет покрыта, потребление кислорода повышается даже после прекращения упражнений.

Расслабление волокон скелетных мышц и, в конечном итоге, скелетных мышц начинается с двигательного нейрона, который перестает передавать свой химический сигнал, ACh, в синапс в NMJ.Мышечное волокно переполяризуется, что закрывает ворота в SR, где высвобождается Ca ⁺⁺ . Насосы с АТФ перемещают Ca ⁺⁺ из саркоплазмы обратно в SR. Это приводит к «повторному экранированию» сайтов связывания актина на тонких филаментах. Без способности образовывать поперечные мостики между тонкими и толстыми волокнами мышечные волокна теряют напряжение и расслабляются.

Количество волокон скелетных мышц в данной мышце определяется генетически и не изменяется.Сила мышц напрямую зависит от количества миофибрилл и саркомеров в каждом волокне. Факторы, такие как гормоны и стресс (и искусственные анаболические стероиды), действующие на мышцы, могут увеличивать выработку саркомеров и миофибрилл в мышечных волокнах — изменение, называемое гипертрофией, которое приводит к увеличению массы и объема скелетных мышц. Точно так же уменьшение использования скелетных мышц приводит к атрофии, когда количество саркомеров и миофибрилл исчезает (но не количество мышечных волокон).При снятии гипса на конечности в гипсе обычно видны атрофированные мышцы, а при некоторых заболеваниях, таких как полиомиелит, появляются атрофированные мышцы.

Заболевания… мышечной системы

Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) — это прогрессирующее ослабление скелетных мышц. Это одно из нескольких заболеваний, вместе называемых «мышечной дистрофией». МДД вызван нехваткой протеина дистрофина, который помогает тонким филаментам миофибрилл связываться с сарколеммой.Без достаточного количества дистрофина мышечные сокращения вызывают разрыв сарколеммы, вызывая приток Ca ⁺⁺ , что приводит к повреждению клеток и деградации мышечных волокон. Со временем по мере накопления мышечных повреждений мышечная масса теряется и развиваются более серьезные функциональные нарушения.

DMD — это наследственное заболевание, вызванное аномальной Х-хромосомой. Это в первую очередь поражает мужчин и обычно диагностируется в раннем детстве. МДД обычно сначала проявляется как нарушение равновесия и движения, а затем прогрессирует до неспособности ходить.Он продолжает двигаться вверх по телу от нижних конечностей к верхней части тела, где воздействует на мышцы, отвечающие за дыхание и кровообращение. В конечном итоге это приводит к смерти из-за дыхательной недостаточности, и люди, страдающие этим заболеванием, обычно не доживают до 20 лет.

Поскольку МДД вызывается мутацией в гене, кодирующем дистрофин, считалось, что введение здоровых миобластов пациентам может быть эффективным лечением. Миобласты — это эмбриональные клетки, отвечающие за развитие мышц, и в идеале они должны нести здоровые гены, которые могут вырабатывать дистрофин, необходимый для нормального сокращения мышц.Этот подход оказался в значительной степени неудачным у людей. Недавний подход включал попытку увеличить выработку мышцами утрофина, белка, подобного дистрофину, который может играть роль дистрофина и предотвращать повреждение клеток.

Обзор главы

Саркомер — это самая маленькая сократительная часть мышцы. Миофибриллы состоят из толстых и тонких нитей. Толстые нити состоят из белкового миозина; тонкие нити состоят из белка актина.Тропонин и тропомиозин являются регуляторными белками.

Сокращение мышц описывается моделью сокращения скользящей нити. ACh является нейротрансмиттером, который связывается в нервно-мышечном соединении (NMJ), чтобы вызвать деполяризацию, и потенциал действия перемещается по сарколемме, чтобы вызвать высвобождение кальция из SR. Сайты актина подвергаются воздействию после того, как Са ⁺⁺ проникает в саркоплазму из хранилища SR для активации комплекса тропонин-тропомиозин, так что тропомиозин перемещается от сайтов.Перекрестное соединение миозиновых головок, стыкующихся с актин-связывающими сайтами, сопровождается «силовым ударом» — скольжением тонких нитей толстыми нитями. Силовые удары приводятся в действие АТФ. В конечном итоге саркомеры, миофибриллы и мышечные волокна укорачиваются, чтобы вызвать движение.

Вопросы по интерактивной ссылке

Высвобождение ионов кальция вызывает мышечные сокращения. Посмотрите это видео, чтобы узнать больше о роли кальция. а) Что такое «Т-канальцы» и какова их роль? (b) Также опишите, как сайты связывания актина становятся доступными для перекрестного связывания с головками миозина во время сокращения.

(a) Т-канальцы — это внутренние продолжения сарколеммы, которые запускают высвобождение Ca ⁺⁺ из SR во время потенциала действия. (b) Ca ⁺⁺ связывается с тропомиозином, и это отодвигает стержни тропомиозина от участков связывания.

Контрольные вопросы

Вопросы о критическом мышлении

1. Как бы изменились мышечные сокращения, если бы волокна скелетных мышц не имели Т-канальцев?

2.Каковы противоположные роли потенциалзависимых натриевых каналов и потенциалозависимых калиевых каналов?

3. Как бы изменились мышечные сокращения, если бы в мышечном волокне полностью истощился АТФ?

Глоссарий

аэробное дыхание

производство АТФ в присутствии кислорода

АТФаза

Фермент

, гидролизующий АТФ до АДФ

креатинфосфат

фосфаген, используемый для хранения энергии от АТФ и передачи ее мышцам

гликолиз

анаэробное расщепление глюкозы до АТФ

молочная кислота

продукт анаэробного гликолиза

кислородный долг

количество кислорода, необходимое для компенсации АТФ, вырабатываемого без кислорода во время сокращения мышц

рабочий ход

действие миозина, притягивающего актин внутрь (по направлению к линии M)

пировиноградная кислота

Продукт гликолиза, который можно использовать при аэробном дыхании или преобразовать в молочную кислоту

Решения

Ответы на вопросы о критическом мышлении

1. Без Т-канальцев проводимость потенциала действия внутрь клетки происходила бы намного медленнее, вызывая задержки между нервной стимуляцией и сокращением мышц, что приводило бы к более медленным и слабым сокращениям.
2. Открытие потенциалзависимых натриевых каналов, за которым следует приток Na ⁺ , передает потенциал действия после того, как мембрана достаточно деполяризовалась. Задержка открытия калиевых каналов позволяет K ⁺ выйти из клетки, чтобы реполяризовать мембрану.
3. Без АТФ головки миозина не могут отделиться от сайтов связывания актина. Все «застрявшие» поперечные мосты приводят к ригидности мышц. У живого человека это может вызвать состояние вроде «писательских спазмов».«У недавно умершего человека это приводит к трупному окоченению.

Связь между возбуждением и сокращением и регулирование мышечного сокращения — Видео и стенограмма урока

Cross-Bridge

В контексте мышечного сокращения cross-bridge просто относится к прикреплению миозина с актином внутри мышечной клетки. Все типы мышц — скелетные, сердечные и гладкие — сокращаются за счет того, что мы называем перекрестно-мостовым циклом ; то есть повторяющееся прикрепление актина и миозина внутри клетки.

Изображение ниже иллюстрирует единственный цикл, в котором миозин связывается с актином, образуя поперечный мостик. После связывания миозин меняет свою форму, притягивая актин к середине саркомера, как будто человек тянет за веревку. Затем АТФ связывается с миозином, тем самым отделяя поперечный мостик, а также обеспечивая энергию для выполнения еще одного цикла.

Муфта возбуждения-сжатия

У меня к вам вопрос. Вы когда-нибудь хотели просто выключить свет и не вставать или вставать с постели? У меня есть. Как бы я ни старался, в конечном итоге мне приходится вставать с постели и щелкать выключателем. Так работает регуляция мышечного сокращения. Когда мышца возбуждается нейроном, кальция, высвобождается из саркоплазматического ретикулума, и кальций связывается с тропонином, таким образом связывая возбуждение мышцы с сокращением самой мышцы.

Точно так же после того, как я решаю выключить свет, я должен встать и щелкнуть выключателем, таким образом связав свою мысль или желание с соответствующим действием. В расслабленной мышце тропомиозин покрывает участки связывания миозина, которые находятся на актине. Это предотвращает образование поперечного моста.

После выхода из саркоплазматического ретикулума в цитоплазму кальций затем связывается с тропонином и меняет свою форму — или то, что мы называем конформацией .Поскольку тропонин присоединяется к тропомиозину, изменение конформации или формы тропонина перемещает тропомиозин от участков связывания миозина. Итак, пока доступен кальций, может образовываться поперечный мостик, и мышцы сокращаются.

Прекращение сокращения

Очевидно, что наши мышцы сокращаются не все время. В конце концов, нейроны перестают стимулировать мышцу, и сокращение прекращается. Что происходит внутри клетки, чтобы остановить образование поперечных мостиков и расслабить мышцы? Если кальций сочетает возбуждение с сокращением, было бы логично, что удаление кальция остановило бы сокращение.Действительно, удаление кальция вызывает расслабление, но как нам избавиться от кальция? Короче говоря, ATP обеспечивает энергию для перекачки или активного транспорта кальция обратно в саркоплазматический ретикулум.

Помните, АТФ также необходим для отсоединения перемычки. Без АТФ кальций остается связанным с тропонином, а поперечный мостик остается прикрепленным.После смерти наши мышцы входят в то, что мы называем трупным окоченением , поскольку наши клетки больше не производят АТФ. В конце концов, труп расслабляется, поскольку белки в мышцах разрушаются, и поперечный мост разрушается.

Краткое содержание урока

Таким образом, сокращение мышц регулируется регуляторными белками . Тропомиозин покрывает участки связывания миозина и предотвращает образование поперечных мостиков, когда мышца расслаблена. При нервной стимуляции кальций высвобождается из саркоплазматического ретикулума и связывает возбуждение с сокращением. Тропонин изменяет конформацию, когда связывает кальций, и это перемещает тропомиозин от участков связывания миозина, обеспечивая образование поперечных мостиков и сокращение мышц.

Мышцы расслабляются, когда нервная стимуляция прекращается, и кальций перекачивается обратно в саркоплазматический ретикулум с помощью АТФ . Кроме того, АТФ стимулирует отслоение поперечного мостика. Мышцы сокращаются после смерти, вызывая то, что мы называем трупным окоченением . Поскольку мертвые клетки не могут производить АТФ, кальций продолжает связывать тропонин, и поперечные мостики остаются прикрепленными.

Результаты обучения

В конце этого видео вы сможете:

• Описать, как мышцы сокращаются и расслабляются
• Объясните, почему трупное окоченение возникает при смерти

(PDF) Усталость скелетных мышц — регулирование взаимодействия возбуждения и сокращения во избежание метаболической катастрофы

Доусон, М. Дж., Гадиан, Д. Г. и Уилки, Д. Р. (1978). Мышечное утомление исследовали

с помощью фосфорного ядерного магнитного резонанса. Nature 274, 861-866.

Дулхунти, А. Ф. (1978). Зависимость мембранного потенциала от внеклеточной концентрации хлорида

в волокнах скелетных мышц млекопитающих. J. Physiol. 276, 67-82.

Долг, С. и Аллен, Д. Г. (1995). Влияние глибенкламида на тетаническую силу и

внутриклеточного кальция в нормальных и утомленных скелетных мышцах мышей. Exp. Physiol. 80,

529-541.

Эндо, М. (2009). Вызванное кальцием высвобождение кальция в скелетных мышцах. Physiol. Ред.89,

1153-1176.

Гонг Б., Мики Т., Сейно С. и Рено Дж. М. (2000). Дефицит К (АТФ) канала

влияет на напряжение покоя, а не на сократительную силу, во время утомления скелетных мышц. Являюсь. J.

Physiol. Cell Physiol. 279, C1351-C1358.

Гонг Б., Лего Д., Мики Т., Сейно С. и Рено Дж. М. (2003). KATP каналы

подавляют силу за счет уменьшения амплитуды потенциала действия в мышцах EDL и камбаловидной мышце

мыши. Являюсь. J. Physiol.Cell Physiol. 285, C1464-C1474.

Гордон, А.М., Хомшер, Э. и Ренье, М. (2000). Регуляция сокращения в поперечно-полосатой мышце

. Physiol. Ред. 80, 853-924.

Грамолини, А. и Рено, Дж. М. (1997). Блокирование АТФ-чувствительного K + канала во время метаболического ингибирования

ухудшает сократимость мышц. Являюсь. J. Physiol. 272, C1936-C1946.

Эно, К. и Дезимедт, Дж. Э. (1968). Потенцирование лестницы в нормальной мышце человека

: мгновенное соотношение между силой и скоростью подергивания.Arch. Int.

Physiol. Биохим. 76, 554-556.

Гамильтон, С. Л., Серышева, И. и Страсбург, Г. М. (2000). Кальмодулин и связь возбуждения-сжатия

. Новости Physiol. Sci. 15, 281-284.

Хартсхорн, Д. Дж., Ито, М. и Эрдогди, Ф. (1998). Фосфатаза легкой цепи миозина:

Состав субъединиц

, взаимодействия и регуляция. J. Muscle Res. Cell Motil. 19, 325-

341.

Hennig, R. and Lømo, T. (1985). Способы активации двигательных единиц у нормальных крыс.Природа

314, 164-166.

Хочачка П. В. (1994). Мышцы как молекулярные и метаболические машины. Лондон,

Великобритания: Informa Healthcare.

Хочачка П. В., Мэтисон Г. О. (1992). Регулировка скорости обмена АТФ в широком диапазоне динамических рабочих диапазонов

в скелетных мышцах. J. Appl. Physiol. 73, 1697–1703.

Хочачка, П. В. и Макклелланд, Г. Б. (1997). Клеточный метаболический гомеостаз

во время крупномасштабного изменения скорости обмена АТФ в мышцах.J. Exp. Биол. 200, 381-

386.

Holmberg, E. and Waldeck, B. (1980). О возможной роли ионов калия в действии тербуталина

на сокращения скелетных мышц. Acta Pharmacol. Toxicol.

(Копенг.) 46, 141–149.

Хомшер, Э. (1987). Производство энтальпии мышц и ее связь с АТФазой актомиозина

. Анну. Rev. Physiol. 49, 673-690.

Джексон, М. Дж., Джонс, Д. А. и Эдвардс, Р. Х. (1984). Экспериментальные повреждения скелетных мышц

: природа дегенеративных процессов, активируемых кальцием.Евро. J. Clin.

Инвест. 14, 369-374.

Джонс, Д. А., Джексон, М. Дж., Макфейл, Г. и Эдвардс, Р. Х. (1984). Experimental

Повреждение мышц

мыши: важность внешнего кальция. Clin. Sci. 66, 317-322.

Джуэл К., Пилегаард Х., Нильсен Дж. Дж. И Бангсбо Дж. (2000). Интерстициальный K (+) в

скелетных мышцах человека во время и после динамических градуированных упражнений, определенный с помощью микродиализа

. Являюсь. J. Physiol. Regul. Интегр. Комп. Physiol. 278, R400-R406.

Кейн, Г.К., Бехфар, А., Ямада, С., Перес-Терзич, К., О’Кочлен, Ф., Рейес, С.,

Дзея, П.П., Мики, Т., Сейно, С. и Terzic, A. (2004). Нокаут АТФ-чувствительного K + канала

ставит под угрозу метаболический эффект тренировок с упражнениями, что приводит к сердечному дефициту

. Диабет 53 Дополнение 3 :, S169-S175.

Карацафери, К., де Хаан, А., Фергюсон, Р. А., ван Мехелен, В. и Сарджант, А. Дж.

(2001). Содержание фосфокреатина и АТФ в отдельных мышечных волокнах человека до и

после максимальной динамической нагрузки.Pflugers Arch. 442, 467-474.

Лэмб, Г. Д. (2000). Связь возбуждения-сокращения в скелетных мышцах: сравнение

с сердечной мышцей. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 27, 216-224.

Лэмб, Г. Д. и Стивенсон, Д. Г. (1991). Влияние Mg2 + на контроль высвобождения Ca2 +

в волокнах скелетных мышц жабы. J. Physiol. 434, 507-528.

Лэмб, Г. Д. и Стивенсон, Д. Г. (1992). Важность Mg

2+

в возбуждении —

сцепление сокращений в скелетных мышцах.Новости Physiol. Sci. 7, 270-274.

Лейвер Д. Р., Бейнс Т. М. и Далханти А. Ф. (1997). Ингибирование магнием

рианодин-рецепторных кальциевых каналов: данные о двух независимых механизмах.

J. Membr. Биол. 156, 213-229.

Левин, Р. Дж. К., Кенслер, Р. В., Янг, З. Х., Стулл, Дж. Т. и Суини, Х. Л. (1996).

Фосфорилирование легкой цепи миозина влияет на структуру скелетных мышц кролика.

Толстые волокна

. Биофиз. J. 71, 898-907.

Ли, Дж. Л., Ван, X. Н., Фрейзер, С. Ф., Кэри, М. Ф., Ригли, Т. В. и МакКенна,

М. Дж. (2002). Влияние усталости и тренировок на регуляцию Са саркоплазматического ретикулума (

2+

)

в скелетных мышцах человека. J. Appl. Physiol. 92, 912-922.

Лайт, П. Э., Комтуа, А. С. и Рено, Дж. М. (1994). Влияние глибенкламида на

скелетных мышц лягушки: свидетельство активации K

+

каналов АТФ во время утомления.

J. Physiol. 475, 495-507.

Макинтош Б. Р. (2003). Роль модуляции кальциевой чувствительности в работе скелетных мышц

. Новости Physiol. Sci. 18, 222-225.

Макинтош, Б. Р. и Гардинер, П. Ф. (1987). Посттетаническая потенциация и скелетная

мышечная усталость: взаимодействие с кофеином. Жестяная банка. J. Physiol. Pharmacol. 65, 260-268.

Макинтош, Б. Р. и Купш, К. С. (1987). Лестница, усталость и кофеин в скелетных мышцах

in situ.Muscle Nerve 10, 717-722.

Макинтош, Б. Р. и Рассье, Д. Э. (2002). Что такое усталость? Жестяная банка. J. Appl. Physiol. 27,

42-55.

Макинтош Б. Р. и Шахи М. Р. С. (2011). Периферический регулятор регулирует сокращение мышц

. Прил. Physiol. Nutr. Метаб. 36, 1-11.

Макинтош, Б. Р., Грейндж, Р. В., Кори, К. Р. и Хьюстон, М. Е. (1993). Миозин

Фосфорилирование легкой цепи во время лестницы в утомленных скелетных мышцах. Pflugers

Arch.425, 9-15.

Макинтош Б. Р., Нептун Р. Р. и Ван ден Богерт А. Дж. (2000). Интенсивность цикла

и велоэргометрия: выходная мощность и затраты энергии. В биомеханике и

биологии движения (изд. Б. М. Нигг, Б. Р. Макинтош и Дж. Местер), стр. 129-148.

Шампейн, Иллинойс: Human Kinetics.

Матар В., Носек Т. М., Вонг Д. и Рено Дж. М. (2000). Пинацидил подавляет сократительную способность

и сохраняет энергию, но глибенкламид не действует при мышечной усталости

.Являюсь. J. Physiol. Cell Physiol. 278, C404-C416.

Матар В., Лунде Дж. А., Жасмин Б. Дж. И Рено Дж. М. (2001). Денервация

усиливает физиологические эффекты канала К (АТФ) во время утомления в EDL и

камбаловидной мышце. Являюсь. J. Physiol. Regul. Интегр. Комп. Physiol. 281, R56-R65.

Мейснер, Г. (1984). Адениновая нуклеотидная стимуляция Са2 + -индуцированного высвобождения Са2 + в саркоплазматическом ретикулуме

. J. Biol. Chem. 259, 2365-2374.

Мейснер, Г.(1986). Активация рианодина и ингибирование канала высвобождения Са2 + саркоплазматического ретикулума

. J. Biol. Chem. 261, 6300-6306.

Мейснер, Г., Дарлинг, Э. и Эвелет, Дж. (1986). Кинетика быстрого высвобождения кальция саркоплазматическим ретикулумом

. Влияние нуклеотидов кальция, магния и аденина.

Биохимия 25, 236-244.

Mohr, M., Nordsborg, N., Nielsen, J. J., Pedersen, L.D., Fischer, C., Krustrup, P.

,

и Bangsbo, J.(2004). Кинетика калия в мышечном интерстиции человека во время

повторных интенсивных упражнений в связи с утомлением. Pflugers Arch. 448, 452-456.

Моно, Х. и Шеррер, Дж. (1965). Работоспособность синергетической мышечной группы.

Эргономика 8, 329-338.

Мур Р. Л. и Стулл Дж. Т. (1984). Фосфорилирование легкой цепи миозина в быстрых и

медленных скелетных мышцах in situ. Являюсь. J. Physiol. 247, C462-C471.

Myburgh, К. Х. (2004). Могут ли какие-либо метаболиты частично снимать проявления усталости

на мосту? Med.Sci. Спортивные упражнения. 36, 20-27.

Nielsen, J. J., Mohr, M., Klarskov, C., Kristensen, M., Krustrup, P., Juel, C. и

Bangsbo, J. (2004). Влияние высокоинтенсивных периодических тренировок на кинетику калия

и производительность скелетных мышц человека. J. Physiol. 554, 857-870.

Нома, А. (1983). АТФ-регулируемые K + каналы в сердечной мышце. Nature 305, 147-148.

Оба Т., Мураяма Т. и Огава Ю. (2002). Редокс-состояния рецептора рианодина 1 типа

изменяют ответ канала высвобождения Са (2+) на модуляторы.Являюсь. J. Physiol. Cell

Physiol. 282, С684-С692.

Оуэн, В. Дж., Лэмб, Г. Д. и Стивенсон, Д. Г. (1996). Влияние низкого [АТФ] на

-индуцированное деполяризацией высвобождение Са

2+

в волокнах скелетных мышц жабы. J. Physiol.

493, 309-315.

Оуэн, В. Дж., Лэмб, Г. Д., Стивенсон, Д. Г. и Фрайер, М. В. (1997). Связь

между силовыми ответами, вызванными деполяризацией, и содержанием Са

2+

в скелетных мышцах

волокон крысы и жабы.J. Physiol. 498, 571-586.

Паладе, П. Т. и Барчи, Р. Л. (1977). Характеристики хлоридной проводимости

мышечных волокон диафрагмы крысы. J. Gen. Physiol. 69, 325-342.

Педерсен, Т. Х., Клаузен, Т. и Нильсен, О. Б. (2003). Потеря силы, вызванная высоким уровнем внеклеточного [K +]

в мышцах крысы: влияние температуры, молочной кислоты и бета2-агониста.

J. Physiol. 551, 277-286.

Педерсен, Т. Х., де Паоли, Ф. и Нильсен, О.Б. (2005). Повышенная возбудимость

закисленных скелетных мышц

: роль хлоридной проводимости. J. Gen. Physiol. 125, 237-246.

Педерсен, Т. Х., де Паоли, Ф. В., Флатман, Дж. А. и Нильсен, О. Б. (2009a). Положение

о каналах ClC-1 и KATP в возбуждающих потенциал быстросокращающихся мышечных волокнах.

J. Gen. Physiol. 134, 309-322.

Педерсен, Т. Х., Макдональд, В. А., де Паоли, Ф. В., Гурунг, И. С. и Нильсен, О. Б.

(2009b). Сравнение регулируемой пассивной проводимости мембраны в потенциале действия —

быстро и медленно сокращающиеся мышцы.J. Gen. Physiol. 134, 323-337.

Персечини А., Стулл Дж. Т. и Кук Р. (1985). Влияние фосфорилирования миозина

на сократительные свойства очищенных от кожи волокон скелетных мышц кролика. J. Biol. Chem.

260, 7951-7954.

Проссер, Б. Л., Райт, Н. Т., Эрнандез-Очоа, Э. О., Варни, К. М., Лю, Ю.,

Олоджо, Р. О., Циммер, Д. Б., Вебер, Д. Дж. И Шнайдер, М. Ф. (2008). S100A1

связывается с сайтом связывания кальмодулина рианодинового рецептора и модулирует связь возбуждения и сокращения мышц скелета

.J. Biol. Chem. 283, 5046-5057.

Сонг, Д. У., Ли, Дж .-Г., Юн, Х.-С., Эом, С. Х. и Ким, Х. (2011). Сборка рецепторов Ryanodine

: новый подход системной биологии к трехмерному картированию. Прог. Биофиз.

Мол. Биол. 105, 145–161.

Spriet, L. L., So¨derlund, K., Bergstrom, M. и Hultman, E. (1987). Анаэробный

высвобождение энергии в скелетных мышцах во время электростимуляции у мужчин. J. Appl.

Physiol. 62, 611-615.

Столлер, Д., Пител, П., Кац, С., Эрли, Дж. У., Коллинз, К., Меткалф, Дж., Ланг, Р. М.

и МакНелли, Э. М. (2009). Нарушение толерантности к физической нагрузке и миопатия скелетных мышц

у мышей, мутантных по рецептору сульфонилмочевины-2. Являюсь. J. Physiol. Regul. Интегр.

Сравн. Physiol. 297, R1144-R1153.

Street, D., Nielsen, J.-J., Bangsbo, J. и Juel, C. (2005). Метаболический алкалоз снижает

вызванный физической нагрузкой ацидоз и накопление калия в скелетных мышцах человека

интерстиций.J. Physiol. 566, 481-489.

Суини, Х. Л. и Стулл, Дж. Т. (1990). Изменение кинетики поперечного мостика фосфорилированием легкой цепи миозина

в скелетных мышцах кролика: последствия для регуляции взаимодействия актин-миозин

. Proc. Natl. Акад. Sci. USA 87, 414-418.

Табет, М., Мики, Т., Сейно, С. и Рено, Ж.-М. (2005). Бег на беговой дорожке вызывает

значительных повреждений волокон в скелетных мышцах мышей с дефицитом KATP-каналов. Physiol.

Genomics 22, 204-212.

Регулирование связи возбуждения и сокращения при утомлении 2113

Journal of Cell Science

[PDF] ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУЖДАЕМЫХ ТКАНЕЙ

1 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПРИ МИНИСТЕРСТВЕ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РУ …

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПРИ МИНИСТЕРСТВЕ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ОТДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

РУКОВОДСТВО ДЛЯ СТУДЕНТОВ НОРМАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

РУКОВОДСТВО ДЛЯ СТУДЕНТОВ НОРМАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

КНИГА ПРАКТИЧЕСКОГО УКАЗАНИЯ 9000 ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО 9000 ПРАКТИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО программа

Наименование: Группа:

Волгоград, 2012

УДК

Физиология возбудимых тканей.Путеводитель. Практическое пособие по нормальной физиологии. — Волгоград: ВолгГМУ, 2012. — 13 с.

Составители: Клаучек С.В., Лифанова Е.В., Хвастунова И.В., Кудрин Р.А., Ахундова Р.Е., Долецкий А.Н., Шмидт С.А.

Утверждено Центральной методической коллегией ВолгГМУ.

В данном пособии обобщены практические задачи физиологии возбудимых тканей человека. Он обслуживает преподавателей и студентов англоязычных высших медицинских учебных заведений.

© ВолгГМУ, 2012. 2

СОДЕРЖАНИЕ

Практическое занятие 1. Введение в физиологию

4

Практическое занятие 2. Возбудимые ткани: нервная ткань

7

Практическое занятие 3. Возбудимые ткани: мышечная ткань

9

Практическое занятие 4. Синаптическая передача

11

Практическое занятие 5. Заключительное занятие, посвященное темам «Введение в физиологию

13

», «Возбудимые ткани: нервная ткань», «Возбудимые ткани: мышечная ткань »,« Синаптическая передача »(промежуточный осмотр ротовой полости).

3

Практическое занятие 1. Введение в физиологию. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 1.

2. 3.

Вопросы для обсуждения Биомембраны, их структура и функции. Ионные каналы, их классификация и роль. Виды транспорта через биомембраны. Понятие о возбудимости. Свойства возбудимых тканей. Основные законы стимуляции. Закон «все или ничего». Порог стимуляции. Кривая «сила-продолжительность». Размещение. Основные законы стимуляции. Электротонические потенциалы.Мембранный потенциал покоя. Его ионная основа. Практические занятия Изготовление нервно-мышечного препарата. Первый и второй опыты Гальвани. Вторичный столбняк.

Книги, рекомендованные Ганонг В. Ф. Обзор медицинской физиологии. 20-е изд; McGraw-Hill Companies, Inc., 2001. — С. 1-17, 27-35. 2. Гайтон А. К., Холл Дж. Э. Учебник медицинской физиологии, 12-е изд; У. Б. Сондерс, 2005. — С. 43-59. 1.

Практическая работа 1. Изготовление нервно-мышечного препарата. Цель: научиться делать нервно-мышечный препарат.Техника. Изготовление нервно-мышечной подготовки включает 3 этапа. Они следующие: I. Делаем заготовку задних лап. 1. Заверните лягушку в марлевую салфетку. 2. Вставьте ножницы в полость рта и отрежьте верхнюю челюсть лягушки за глазами. 3. Введите зонд в спинномозговой канал и разрушьте спинной мозг. 4. Отсечь позвоночник, внутренние органы, кожу и мышцы брюшной стенки. 6. Удерживая позвоночник одной рукой, другой рукой возьмитесь салфеткой за край кожи и снимите его.7. Подготовка задних лапок лягушки готова. II. Подготовка реоскопической ножки. 1. Подготовку задних лап лягушки следует взять за позвоночник и согнуть так, чтобы копчик выступал наружу. 2. Вырежьте копчик ножницами. 3. Положите препарат животом вверх. 4. Старайтесь не касаться нервных стволов крестцового сплетения; позвоночник и другие ткани следует разрезать по средней линии, чтобы отделить ноги друг от друга. Удерживая оставшуюся часть позвоночника, найдите седалищный нерв; удалите тазовую кость, разрезав ее около позвоночника и бедра.III. Изготовление нервно-мышечного препарата. Следующий этап — подготовка седалищного нерва и икроножной мышцы. 1. Для подготовки нерва бедренная кость должна располагаться тыльной стороной вверх; необходимо развести мышцы и подготовить седалищный нерв в продольном направлении. 4

2. Поднимите нерв за оставшуюся часть позвоночника и осторожно разрежьте прилегающие ткани с помощью ножниц. 3. Отрежьте ногу выше коленного сустава. 4. Остальные мышцы бедра также следует удалить.5. После этого поместите ножницы под ахиллово сухожилие, разделите его по длине и прорежьте ниже сесамовидной кости. 6. Отрежьте ногу ниже коленного сустава. 7. Нервно-мышечный препарат икроножной мышцы и седалищного нерва готов. 8. Оберните препарат салфеткой, смоченной раствором Рингера, и переложите в чашку Петри. Результат:

Заключение:

5

Практическая работа 2. Первый и второй опыты Гальвани. Цель: ознакомление с 1-м и 2-м экспериментами Гальвани.Техника. I) Первый эксперимент Гальвани (сокращение, вызванное воздействием металла). 1. Сделайте заготовку из задних лапок лягушки. 2. Удерживая препарат за оставшуюся часть позвоночника, поместите одну из ветвей гальванических клещей под нервные корешки крестцовой части спинного мозга. 3. Коснитесь мышц бедра лягушки второй ветвью гальванических клещей. 3. Наблюдайте за сокращением мышц препарата. Мышцы будут сокращаться, пока они находятся под воздействием металлических гальванических клещей.Нарисуйте схему эксперимента и сделайте вывод. Результат:

Вывод:

Техника. II) Второй эксперимент Гальвани (сокращение, которое не стимулируется воздействием металла). 1. Из нервно-мышечного препарата приготовьте препарат реоскопической ноги лягушки и поврежденной мышцы. 2. Быстро приложите нерв реоскопической ноги к поврежденному участку мышцы так, чтобы он мог одновременно касаться поврежденной и неповрежденной поверхности мышцы. 3. Наблюдайте за сокращением мышц ног.4. Эксперимент считается успешным, если нерв сильно возбудим и бедренная мышца только что рассечена. Нарисуйте схему эксперимента и сделайте вывод. В чем разница между 1-м и 2-м экспериментами Гальвани? Результат:

6

Заключение:

Практическая работа 3. Вторичный столбняк. Цель: наблюдение за возникающими токами действия в возбужденных тканях и их возможной передачей другим тканям. Техника. 1. Сделайте заготовку реоскопических задних лап лягушки и закрепите ее в опоре.2. Поместите нерв второго препарата вдоль икроножной мышцы первой задней лапы. 3. С помощью электродов стимулятора направьте ритмические раздражители на нерв первого препарата, чтобы вызвать столбнячное сокращение мышц. 4. Наблюдайте за сокращением мышц второй реоскопической ноги. Нарисуйте схему эксперимента и сделайте вывод. Результат:

Заключение:

Практическая работа 2. Возбудимые ткани: нервная ткань. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Вопросы для обсуждения Возможности действия.Электрогенез и ионные основы потенциала действия. Общие характеристики одиночного цикла возбуждения. Локальный отклик и распространение возбуждения на биомембране, их сравнительные характеристики. Уровень стрельбы. Изменения возбудимости во время потенциала действия (сравните фазы потенциала действия с фазами изменения возбудимости). Механизм проведения возбуждения в нервных волокнах (в миелинизированных и немиелинизированных нервных волокнах). Законы проводимости нервных волокон. Типы нервных волокон и их функции.

7

1. 2.

3.

Практические работы Значение физиологической целостности нерва для проведения возбуждения. Изолированное проведение возбуждения по нервному волокну. Двустороннее проведение возбуждения.

Книги, рекомендованные Ганонг В. Ф. Обзор медицинской физиологии. 20-е изд; McGraw-Hill Companies, Inc., 2001. — С. 49-61. 2. Гайтон, А. К., Холл, Дж. Э. Учебник медицинской физиологии, 12-е изд; У. Б. Сондерс, 2005. — С. 60-70. 1.

Практическая работа 1.Важность физиологической целостности нерва для проведения возбуждения. Цель: доказать важность физиологической целостности нерва для проведения возбуждения в ходе эксперимента. Техника. Для эксперимента следует использовать реоскопическую лапу лягушки (см. Практическую работу1). 1. Зафиксируйте кость реоскопической лапы лягушки в опоре. 2. Наложите седалищный нерв на электроды. 3. После этого следует наложить лигатуру (или хлорид аммония, новокаин) на нерв между мышцей и электродами.4. Стимулируйте нерв:  между лигатурой и концом нерва;  между мышцей и наложенной лигатурой. Нарисуйте схему эксперимента и сделайте вывод. Результатов:

Заключение:

Практическая работа 2. Изолированное проведение возбуждения по нервному волокну. Цель: экспериментально доказать, что возбуждение происходит изолированно в пределах одного волокна. Техника. Для эксперимента следует использовать заготовку задних лапок лягушки. 1. Поместите нить под каждый нервный корешок.2. Стимулируйте каждый корешок, отходящий от спинного мозга, посылая слабые ритмические импульсы (с помощью электростимулятора). Имейте в виду, что при стимуляции разных корешков различные группы мышечных волокон сокращаются, несмотря на то, что нервные волокна этих корешков проходят через ствол седалищного нерва. Запишите свои наблюдения. 8

Объясните, при каких условиях происходит изоляция проведения возбуждения по нервному волокну? Результатов:

Заключение:

Практическая работа 3.Двустороннее проведение возбуждения. Цель: экспериментально доказать, что возбуждение проводится по нервному волокну в обоих направлениях от зоны раздражения. Техника. 1. Отрежьте тонкую мышцу gracilis, уделяя особое внимание ветвям нерва на внутренней поверхности мышцы. 2. Осторожно разделите мышцу на две части так, чтобы половинки соединились друг с другом посредством нервных ветвей. 3. Стимулируйте одну половину мышцы, посылая ритмические импульсы с помощью стимулятора.4. Обратите внимание, что при стимуляции обе половины мышечной ткани должны сокращаться. 5. Если вы приложите электроды ко второй половине мышцы, вы увидите сокращение обеих частей. Нарисуйте схему эксперимента. В заключение выработайте закон двусторонней проводимости возбуждения. Результатов:

Заключение:

Практическое занятие 3. Возбудимые ткани: мышечная ткань. Вопросы для обсуждения 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Строение скелетных мышц. Моторный агрегат. Быстрые и медленные двигательные единицы.Общая характеристика гладкой мускулатуры. Типы сокращения мышц. Изотонические и изометрические сокращения. Суммирование схваток. Виды столбняка. Механизм сокращения мышц (теория скользящих нитей).

9

7. Типы мышечных волокон (красные мышцы и белые мышцы). Связь длины и напряжения мышц со скоростью сокращения мышц. 8. Работа и сила скелетных мышц. Кузовная механика. 9. Мышечная усталость. Теория мышечной усталости. 1.

Практические занятия Регистрация различных типов сокращения скелетных мышц.

Рекомендуемые книги 1. Ганонг В. Ф. Обзор медицинской физиологии. 20-е изд; McGraw-Hill Companies, Inc., 2001. — С. 62-80. 2. Гайтон, А. К., Холл, Дж. Э. Учебник медицинской физиологии, 12-е изд; У. Б. Сондерс, 2005. — С. 71-90. Практическая работа 1. Регистрация различных типов сокращения скелетных мышц. Задача: зафиксировать различные типы мышечных сокращений (полный и неполный столбняк. Методика. Нервно-мышечный препарат необходимо зафиксировать в миографе. 1. Нерв препарата наложить на электроды электростимулятора.2. Установите частоту стимуляции 1 Гц и установите порог возбудимости от одиночных импульсов (поворотом ручки регулировки частоты). 3. После этого необходимо приблизить силу тока к пороговому значению и записать сокращения отдельных мышц. 4. Следует увеличить частоту стимуляции: повернув ручку регулировки частоты на одно деление дальше и каждый раз делая запись. Перед увеличением частоты стимуляции следует каждый раз выключать стимулятор.5. Запишите полный и неполный столбняк. Запишите в протокол кривые сокращения отдельных мышц, неполного и полного столбняка. Объясните механизмы развития различных типов сокращения скелетных мышц. Результатов:

Заключение:

10

Практическое занятие 4. Синаптическая передача. Вопросы для обсуждения 1. Структура синапса. 2. Типы синапсов. 3. Электрические события в пре- и постсинаптических структурах. Возбуждающий и тормозной постсинаптический потенциал.4. Электрическая и химическая передача. Нейротрансмиттеры. 5. Общие свойства химических синапсов. 6. Нервно-мышечный синапс. Блокаторы нервно-мышечных синапсов. 1.

2.

Практические занятия Работа мышцы. Зависимость стоимости работы от нагрузки. Динамометрия.

Рекомендуемые книги 1. Ганонг В. Ф. Обзор медицинской физиологии. 20-е изд; McGraw-Hill Companies, Inc., 2001. — С. 81-114. 2. Гайтон, А. К., Холл, Дж. Э. Учебник медицинской физиологии, 12-е изд; У. Б. Сондерс, 2005.- С. 546-558. Практическая работа 1. Работа мышцы. Зависимость стоимости работы от нагрузки. Цель: установление зависимости стоимости работы от нагрузки. Техника. Мышца выполняет определенную работу, когда сокращается или что-то поднимается. Эта работа рассчитывается по следующей формуле: A = P x h, где P — вес груза, h — высота, на которой что-то поднимается. 1. Установите единицу измерения сокращения мышц. Для эксперимента требуется нервно-мышечная подготовка. Зафиксируйте мышцу в миографе так, чтобы щипцы находились над записывающим устройством.Соедините нижний конец мышцы с ахилловым сухожилием на уровне Энгельмана с помощью крючка. 2. На одно и то же плечо препарата прикладывайте различные нагрузки (10, 20, 50 и 100 г), каждый раз стимулируя мышцы с помощью электростимулятора. 3. Записывайте частоту сокращений мышц на барабане кимографа каждый раз при его остановке. Рассчитайте работу, выполняемую мышцей, и начертите кривую зависимости величины работы от величины нагрузки; отметьте значения нагрузки на оси абсцисс и на оси ординат (г / см).В заключение сформулируйте правило средних нагрузок. Результатов:

11

Заключение:

Практическая работа 2. Динамометрия. Цель: измерение максимального значения мышечного усилия и мышечной выносливости руки. Техника. 1. Студент должен встать и отвести одну руку с динамометром в руке так, чтобы между рукой и туловищем был прямой угол. Вторая свободная рука опущена и расслаблена. 2. Студент должен дважды нажать на динамометр с максимальной силой после сигнала.Наилучший результат дает оценка силы мышц. 3. Затем студент нажимает динамометр 10 раз с частотой 1 раз в 5 секунд последовательно. 4. Запишите результаты и определите мышечную эффективность по следующей формуле: P = (F1 + F2 + F3 + Fb) / b, где P — уровень мышечной работоспособности, F1-Fb — показания динамометра для одиночных мышечных усилий, б — количество попыток. 5. Эти результаты используются для определения индекса снижения мышечной эффективности по следующей формуле: S = [(F1 — Fmin) / Fmax] x 100, где S — индекс снижения мышечной эффективности, F1 — значение исходного мышечного усилие, Fmin — минимальное значение мышечного усилия, F max — максимальное значение мышечного усилия.Рассчитайте и запишите мощность и уровень мышечной эффективности в протоколе. Нарисуйте кривую снижения мышечной эффективности. Результатов:

12

Заключение:

Практическое занятие 5. Заключительное занятие по темам «Введение в физиологию», «Возбудимые ткани: нервная ткань», «Возбудимые ткани: мышечная ткань», «Синаптическая передача» (промежуточная устный экзамен). Вопросы для обсуждения 1. Биомембраны, их структура и функции. 2. Ионные каналы, их классификация и роль.3. Типы транспорта через биомембраны. 4. Понятие о возбудимости. Свойства возбудимых тканей. 5. Основные законы стимуляции. Закон «все или ничего». Порог стимуляции. 6. Кривая «сила-продолжительность». 7. Размещение. 8. Основные законы стимуляции. Электротонические потенциалы. 9. Мембранный потенциал покоя. Его ионная основа. 10. Возможности действия. Электрогенез и ионные основы потенциала действия. 11. Общая характеристика одиночного цикла возбуждения. 12. Локальный отклик и распространение возбуждения на биомембране, их сравнительные характеристики.Уровень стрельбы. 13. Изменения возбудимости во время потенциала действия (сравните фазы потенциала действия с фазами изменения возбудимости). 14. Механизм проведения возбуждения в нервных волокнах (в миелинизированных и немиелинизированных нервных волокнах). 15. Законы проводимости по нервным волокнам. 16. Типы нервных волокон и их функции. 17. Строение скелетных мышц. 18. Моторный агрегат. Быстрые и медленные двигательные единицы. 19. Общая характеристика гладкой мускулатуры. 20. Типы сокращения мышц. Изотонические и изометрические сокращения.21. Суммирование схваток. Виды столбняка. 22. Механизм сокращения мышц (теория скользящих нитей). 23. Типы мышечных волокон (красные мышцы и белые мышцы). Связь длины и напряжения мышц со скоростью сокращения мышц. 24. Работа и сила скелетных мышц. Кузовная механика. 25. Мышечная усталость. Теория мышечной усталости. 26. Строение синапса. 27. Типы синапсов. 28. Электрические события в пре- и постсинаптических структурах. Возбуждающий и тормозной постсинаптический потенциал.29. Электрическая и химическая передача. Нейротрансмиттеры. 30. Общие свойства химических синапсов. 31. Нервно-мышечный синапс. Блокаторы нервно-мышечных синапсов.

13

Границы | Моделирование Ca2 + -связанного тропонина в сцеплении с возбуждением и сокращением

Введение

Во время сокращения поперечно-полосатой мышцы зонд внутриклеточной флуоресценции fluo-3 выявляет два типа переходных процессов кальция (Minta et al., 1989). Благодаря своему высокому сродству к Ca ²⁺ , fluo-3 обнаруживает и вносит свой вклад в цитозольный пул Ca ²⁺ , который быстро увеличивается и сохраняется более 150 мс после стимуляции поперечно-полосатых мышц лягушки при 16 ° C (Harkins et al. al., 1993; Капуто и др., 1994; Мацуо и др., 2010). Длительное время распада можно объяснить обменом Ca ²⁺ со связывающими молекулами в цитозоле, которые могут быть иммобилизованными молекулами, такими как тропонин (Tn), или диффузионными молекулами, такими как АТФ и парвальбумин, во время секвестрации Ca ²⁺ посредством саркоплазматический ретикулум (Baylor, Hollingworth, 2011). Переходный процесс свободного Ca ²⁺ , хорошо описываемый зондом с низким сродством фураптра (Hollingworth et al., 2009), также может быть рассчитан на основе записи fluo-3 (Caputo et al., 1994). Переходный процесс свободного Ca ²⁺ повышается до пика за 5-7 мс и спадает до базового значения примерно за 50 мс при 16 ° C (Konishi et al., 1991; Hollingworth and Baylor, 2013). Этот короткий импульс Ca ²⁺ , производимый искрами Ca ²⁺ (Cannell et al., 1995), составляет внутриклеточный возбуждающий сигнал для сокращения миофиламентов (Baylor et al., 2002; Baylor and Hollingworth, 2007).

Регуляторные сайты Ca ²⁺ Tn (Potter and Gergely, 1975) опосредуют сцепление возбуждения-сокращения (Robertson et al., 1981). На основании характеристик связывания очищенного Tn (Baylor and Hollingworth, 1998) ожидается, что распад Tn, связанного с Ca ²⁺ , будет следовать за длительным процессом распада флуо-3 (Matsuo and Yagi, 2008). Однако простая скорость диссоциации Tn Ca ²⁺ трудно согласовать с моделированием переходного процесса фураптра (Baylor et al., 2002). В препаратах мышц, растянутых до средней длины саркомера 2,8 и 4,0 мкм (препараты с перекрытием и без перекрытия, соответственно), затухание сигналов fluo-3 очень похоже, но в препаратах без перекрытия интенсивность меридионального 1 / 38.Отражение 5 нм ^-1 , соответствующее повторению Tn в тонкой нити, затухает значительно быстрее, чем сигнал fluo-3 (Matsuo and Yagi, 2008). Если Ca ²⁺ -связанный Tn является функцией пула Ca ²⁺ , представленного сигналом fluo-3, тогда значительная часть Tn остается в состоянии, связанном с Ca ²⁺ , после связанного с Tn структура полностью расслабляется (Мацуо, Яги, 2008). Наша цель — предоставить теоретическую основу для альтернативной гипотезы, а именно, структуры, представленной меридиональной 1/38.Отражение 5 нм ⁻¹ напрямую связано с Tn, связанным с Ca ²⁺ .

Свойства связывания Ca ²⁺ с регуляторными сайтами C-субъединицы Tn (TnC) зависят от взаимодействий Tn с актином в молярном комплексе 7: 1: 1 актина, тропомиозина (Tm) и Tn. (регулируемый актин). Исследования с использованием как ⁴⁵ Ca ²⁺ , так и методов изменения флуоресценции с нативными и ковалентно модифицированными препаратами, соответственно, последовательно демонстрируют, что аффинность регулируемого актина Ca ²⁺ существенно ниже, чем аффинность Ca ²⁺ изолированного Tn (Wnuk et al., 1984; Розенфельд и Тейлор, 1987; Зот, Х. Г. и Поттер, Дж. Д., 1987). Кинетические измерения зависимых от Ca ²⁺ изменений флуоресценции показывают медленные и быстрые скорости диссоциации Ca ²⁺ от регулируемого актина; медленная скорость коррелирует со скоростью диссоциации Ca ²⁺ изолированного Tn, тогда как другая скорость примерно в 10 раз выше (Rosenfeld and Taylor, 1987). Жесткий миозин сдвигает сродство регулируемого актина (миозин: актин: Tm: Tn в комплексе 7: 7: 1: 1 без АТФ) до более высокого сродства Ca ²⁺ изолированного Tn и снижает кинетическое измерение до одной скорости. , что соответствует медленной скорости диссоциации Ca ²⁺ (Rosenfeld and Taylor, 1987).Тропомиозин может занимать три различных положения относительно актина: блокирующее ( B ), центральное ( C ) и миозин-зависимое ( M ) положения. Tn в ассоциации с Tm может взаимодействовать с актином, только когда Tm находится в положении B (Lehman et al., 2000). Конкуренция между открытой конформацией TnC и актином за ту же внутреннюю структуру Tn в положении B (Gagné et al., 1995; Takeda et al., 2003) может снизить кажущееся сродство Ca ²⁺ и увеличить Ca ²⁺ отклоняется от скорости Tn в позиции B за счет взаимодействия энергии.По тому же энергетическому принципу, когда Tm находится в положении C или M и Tn не может взаимодействовать с актином, регуляторные сайты TnC должны иметь более высокое сродство к Ca ²⁺ и более медленное сродство к Ca ²⁺ . изолированных Тн.

Кооперативные изменения, связанные со связыванием Ca ²⁺ с TnC, зависят не только от контекста регулируемого актина, но также и от контекста строгости и стационарных условий. Хотя некоторые препараты флуоресцентно модифицированных ТнК демонстрируют кооперативные Ca ²⁺ -зависимые изменения флуоресценции (Grabarek et al., 1983; Зот, Х. Г. и Поттер, Дж. Д., 1987; Davis et al., 2002), только один класс невзаимодействующих сайтов связывания Ca ²⁺ обнаружен для регуляторных сайтов нативных и флуоресцентно модифицированных TnC в регулируемом актине с использованием методов, использующих ⁴⁵ Ca ²⁺ и изменение флуоресценции, соответственно (Wnuk et al., 1984; Rosenfeld and Taylor, 1987; Zot, HG и Potter, JD, 1987). Сходным образом, некооперативное изменение флуоресценции в ответ на Ca ²⁺ наблюдается для регулируемого актина, насыщенного ригористым миозином (Rosenfeld and Taylor, 1987).Однако в присутствии АТФ мышечные волокна и миофибриллы, восстановленные с помощью флуоресцентного ТнК, демонстрируют резко кооперативную Ca ²⁺ -зависимую активацию и изменения флуоресценции (Zot et al., 1986; Zot, AS and Potter, JD, 1987; Brandt and Поггези, 2014). Следовательно, совместное связывание Ca ²⁺ требует стационарных кросс-мостиков.

Здесь мы связываем хорошо описанный переходный процесс свободного Ca ²⁺ с всеобъемлющей моделью сокращения (Zot et al., 2009). Эта модель учитывает связанный с Ca ²⁺ Tn в ассоциации с Tm в трех основных структурных состояниях тонкой нити (Lehman et al., 2000). Как и в случае с регулируемым актином, ожидается, что мышечные волокна будут демонстрировать как медленные, так и быстрые скорости диссоциации Ca ²⁺ , что должно проявляться в скоростях распада структурных изменений, связанных с Tn, а также зависеть от циклических поперечных мостиков. Мы применяем модель к временным изменениям флуоресценции флуоресценции флуо-3 и меридиональной интенсивности отражения 1 / 38,5 нм ^-1 , измеренной на препаратах скелетных мышц лягушки при 16 ° C, при этом длина саркомера поддерживается на уровне перекрытия или неперекрытия миофиламентов. (Мацуо и др., 2010), который, соответственно, поощряет или запрещает велосипедные мосты. Представленная здесь модель предсказывает, что связанный с Ca ²⁺ Tn следует за медленным спадом флуоресценции флуо-3 и меридиональной 1 / 38,5 нм ^-1 интенсивностью отражения перекрывающегося препарата и только более быстрым распадом меридиональной 1 / 38,5 нм ⁻¹ интенсивность отражения препарирования без перекрытия. Пул Ca ²⁺ , представленный интенсивностью флуоресценции флуоресценции флуо-3, и связанного с Ca ²⁺ Tn, не имеют предсказуемой взаимосвязи.

Материалы и методы

Описание модели

Модель, которую мы используем, учитывает относительное распределение состояний тонкой нити (рис. 1). Состояния B, C и M Tm относятся к взаимодействиям Tm с актином в этих соответствующих положениях (Lehman et al., 2000). Состояние C является положением равновесия (Phillips et al., 1986; Lehman et al., 2000), а состояния B и M моделируются как конкурирующие за Tm в состоянии C .Для стабилизации неравновесных положений B и M , Tm-связанный Tn образует взаимодействие с актином (Greaser and Gergely, 1973) в положении B , а Tm образует тройной комплекс с поперечными мостиками и актином в положении . M (Eaton, 1976; Tobacman and Butters, 2000). Взаимодействие Tn в состоянии B объясняет состояния Tn, которые энергетически связаны с состояниями Tm. Движение Tm от B энергетически разъединяет Tn от возможных взаимодействий с актином (Рисунок 1).

Рисунок 1. Краткое описание модели . Модель состоит из двух частично перекрывающихся подсистем. Состояния Tm (синий) включают центральное ( C ), миозин-зависимое ( M ) и блокирующее ( B _i , i = 1–3). Состояния Tn (TnT, желтый; TnI, пурпурный; TnC, черно-белый) включают в себя энергетически связанные ( B _i ) и несвязанные ( T _i ) состояния, каждое из которых имеет регуляторные участки TnC. это может быть Ca ²⁺ -свободное ( i = 1; белый), однозначно связанное с Ca ²⁺ ( i = 2; черный) и дважды связанное с Ca ²⁺ ( i = 3; черный).На диаграмме показано, как Tn изолирован от сайта взаимодействия с актином (серый овал) путем перемещения Tm из положения B в положения C и M . Все константы, изображенные на рисунке, представляют собой соотношение констант скорости компонентов (таблица 1), используемых для расчета относительной распространенности или вероятности каждого состояния как функции временного изменения концентрации кальция.

Связанные и несвязанные состояния Tn обозначаются B и T соответственно (рисунок 1).Кальцийзависимые состояния Tn обозначаются B _i и T _i , где i представляет 1 (Ca ²⁺ свободный), 2 (односвязанный) или 3 ( двояко связанные). Сродство к актину постепенно снижается по мере увеличения –. Исходя из сохранения массы для двух частично перекрывающихся подсистем (Tm и Tn), B + C + M = 1 для Tm и B + T = 1 для Tn.

В системе, которую мы описываем, M может возникать либо из-за строгости, либо из-за циклических поперечных мостиков, но кооперативность происходит исключительно из циклических поперечных мостиков, как видно из записей измерений связывания Ca ²⁺ . С перекрытием тонких и толстых нитей и АТФ, M находится в состоянии постоянного потока (установившееся состояние), а не в состоянии равновесия; это легко наблюдается по Ca ²⁺ -зависимому in vitro скольжению регулируемых актиновых филаментов. Стабильная кооперативность достигается, если оборот поперечного моста создает дополнительные возможности (второй шанс) для формации M (Zot et al., 2009, 2012). По аналогии, состояние M действует как человек, чьи ноги привязаны к потолку посредством сцепления: быстрое изменение положения относительно скорости мертвой точки увеличивает шансы остаться связанным путем восстановления начальных условий связывания. Доступна статистическая обработка механизма второго шанса, применяемого к данным из биологических систем (Zot et al., 2016a). На практике механизм второго шанса представлен в следующем уравнении скорости

dM / dt = K0′k − 0C (1+ (α − 1) M) n − k − 0M (1)

, где параметры K0 ‘, k ₋₀ , α и n получены из других источников (Zot et al., 2009, 2012). Параметр α выражает возможности второго шанса для восстановления равновесия перед распадом M . При стационарном или равновесном подходе dM / dt → 0. Поскольку уравнение (1) действует на переход C — M (рис. 1), кооперативность не связана напрямую с связыванием Ca ²⁺ . к Тн. Хотя уравнение (1) работает адекватно, любая логистическая функция, работающая на C , может быть совместима с нашей моделью.

Применительно к временной и устойчивой регуляции поперечно-полосатых мышц параметры уравнения (1) могут иметь следующие интерпретации. Равновесный потенциал M как функция популяции миозина с сильным связыванием в любой момент стационарного состояния выражается K0 ‘. Форвардная скорость образования ансамбля M равна произведению K0 ′ k ₋₀ . Размер ансамбля, n , выражает количество субъединиц Tm, действующих совместно с образованием тройного комплекса, как описано выше.Управляющим событием может быть латеральное растяжение, наложенное на смежные субъединицы Tm с помощью осевой силы, действующей на тонкую филамент (Zot et al., 2009). Параметр α является выражением поперечных мостиков, готовых заменить поперечные мостики, разрушенные внутренними химико-механическими силами или активным скольжением. Значение α может быть связано со средним количеством переходных мостов в целевой зоне (Tregear et al., 2004), как было описано (Zot et al., 2009). Мы даем единицу измерения K0 ′ для простоты и повторно используем ранее обсужденные значения для α и n (Zot et al., 2009; Таблица 1) для согласованности.

Таблица 1. Обзор стандартных условий .

Вычислительные методы

Переходы, отличные от C-M , представляют собой спонтанные процессы, управляемые простым массовым действием (рис. 1). Хотя в модели восемь состояний, только шесть являются независимыми. Если мы решим рассчитывать состояния C и T ₁ путем сохранения массы (см. Выше), относительные содержания или вероятности других шести состояний (рис. 1) как функция независимого переходного процесса кальция вычисляются путем решения система шести обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), т.е.е., в дополнение к уравнению (1), имеем

дБ1 / dt = K1k − 1CT1 + k − 4B2− (k − 1 + K4k − 4 [Ca2 +]) B1; дБ2 / dt = K3k − 3CT2 + k − 4B3 + K4k − 4 [Ca2 +] B1 — (k − 3 + k − 4 + K4k − 4 [Ca2 +]) B2; дБ3 / dt = K5k − 5CT3 + K4k − 4 [Ca2 +] B2− (k − 4 + k − 5) B3; dT2 / dt = K2k − 2 [Ca2 + ] T1 + k − 3B2 + k − 2T3 — (k − 2 + K2k − 2 [Ca2 +] + K3k − 3C) T2; dT3 / dt = K2k − 2 [Ca2 +] T2 + k − 5B3− (k − 2 + K5k − 5C) T3.

Эта система ODE решается для каждой концентрации свободного Ca ²⁺ данного переходного процесса. Свободный переходный процесс Ca ²⁺ мышечного волокна (Matsuo et al., 2010) воспроизводится линейным подъемом от начала координат к пику (время до пика 0,005 с), за которым следует экспоненциальный спад (константа скорости составляет 100 с ⁻¹ ; Рисунок 2). Мы используем тот же переходный процесс Ca ²⁺ для всех расчетов в качестве контроля. Следовательно, модель изменяет только вклад перекрестных мостиков в данные аппроксимации для перекрывающихся и неперекрывающихся препаратов. Программа Matlab предназначена для воспроизведения представленных здесь расчетов (см. Дополнительные материалы).

Рисунок 2.Стандартный переходный процесс свободного Ca ²⁺ и конечные установившиеся условия . Данные по нестационарному свободному Ca ²⁺ (точки), взятые из Matsuo et al. (2010) эмпирически соответствуют математической функции (зеленый). На вставке: активация в устойчивом состоянии (состояние M ) представлена ​​как функция концентрации свободного Ca ²⁺ на абсолютной (фиолетовый) и нормализованной (черный) шкалах. Регулировка постоянных устойчивого состояния (таблица 2) сдвигает кривые активации в сторону (Δ x _ss ).Прогнозируемые кривые Tn, связанные с Ca ²⁺ (золотые), которые имитируют отсутствие мостов (линия 1 точка), переходные мосты с насыщением (линия 3 точки) и велосипедные мосты (линия 2 точки) рассчитываются с помощью набора K0 ‘. до 0, 10 ⁶ и 1, соответственно, при стандартных условиях равновесия / стационарного состояния, указанных в таблице 1. Коэффициенты Хилла (Hill, 1910), равные единице, определены для кривых, представляющих отсутствие поперечных мостиков и поперечных мостиков строгости.

Стандартные условия относятся к набору констант, управляющих установившимися потенциалами (верхний регистр, « K »), α и n , которые мы считаем постоянными (Таблица 1).Термодинамические принципы диктуют, что K ₁ / K ₃ = K ₃ / K ₅ = K ₂ / K ₄ , что позволяет K0 ′ , K ₁ , K ₂ и K ₄ следует выбирать независимо. Значения, используемые здесь для этих четырех параметров, α и n (Таблица 1), такие же, как показано в другом месте, чтобы соответствовать стационарной активации покрытых кожей волокон быстрых мышц (Zot et al., 2009) и сердечной мышцы (Zot et al., 2016b) на Ca ²⁺ . Константы скорости компонентов (нижний регистр, « k ») варьируются для соответствия переходным данным. Медленные и быстрые скорости диссоциации Ca ²⁺ из Tn ( k _-2 и k _-4 ; таблица 1) взяты из работы Розенфельда и Тейлора (1987).

Результаты

Стационарное и равновесное поведение модели

Расчеты установившегося состояния или равновесия производятся для стандартных условий (таблица 1) путем обнуления системы ODE (см.Программа Matlab в Zot et al., 2016b). Расчетные кривые активации Ca ²⁺ на абсолютной и нормализованной шкалах (вставка, рис. 2) воспроизводят данные о стационарном напряжении и данных АТФазы различных нативных и мутантных белковых препаратов быстрых скелетных и сердечных мышц (Zot et al., 2009, 2016b). Чтобы убедиться, что модель воспроизводит установленные Ca ²⁺ связывающие свойства Tn, Ca ²⁺ -связанный Tn ( B ₂ + B ₃ + T ₂ + T ₃ ) рассчитывается как функция постоянных концентраций Ca ²⁺ .В случае циклических поперечных мостиков математическим решением является кооперативная функция Ca ²⁺ (вставка, рис. 2), которая воспроизводит характерную взаимосвязь связывания-активации, наблюдаемую ранее с флуоресцентно меченным Tn в реконструированных миофибриллах (Zot et al., 1986; Zot , А.С. и Поттер, JD, 1987; Brandt and Poggesi, 2014). Для моделирования равновесия, достигаемого путем неперекрытия или строгости, K0 ‘устанавливается либо на ноль, либо на относительно большое значение (10 ⁶ ), соответственно. Оба решения предсказывают простое массовое действие (некооперативное) связывание кальция (вставка, рисунок 2), и оба моделирования воспроизводят опубликованные кривые простого массового действия Ca ²⁺ связывания для регулируемого актина и регулируемого актина с жестким связыванием миозина, соответственно (Розенфельд и Тейлор, 1987).Следовательно, модель способна воспроизводить кооперативные и некооперативные измерения связывания Ca ²⁺ как в стационарных, так и в равновесных препаратах, соответственно.

Переходный процесс с перекрытием

Переходный процесс связанного с кальцием тропонина, который моделируется как сумма B ₂ , B ₃ , T ₂ и T ₃ , сравнивается с переходным процессом. изменение, измеренное с помощью флуоресценции флуоресценции флюо-3 (Matsuo et al., 2010) в перекрывающихся мышечных препаратах. Вместо того, чтобы выбирать параметры, соответствующие данным по флуо-3, мы подбираем данные натяжения (рис. 3) для того же препарата с расчетным значением M (уравнение 1) путем корректировки констант скорости (таблица 2), которые составляют стандартные условия (таблица 1). Уменьшение K0 ‘ k _-0 сдвигает вычисленный переходный процесс натяжения вправо, а k _-0 уменьшается в тандеме, чтобы поддерживать постоянное K0′. Одно и то же ограничение используется повсюду для поддержания стандартных условий.Регулировка либо K0 ′ k ₋₀ , либо K ₁ k ₋₁ изменяет переходный процесс натяжения эквивалентным образом, используя K0 ′ k ₋₀ для поперечной регулировки и K ₁ k ₋₁ для вертикальных регулировок дает наилучшую форму переходного процесса напряжения относительно данных. Учитывая оптимальное соответствие данных натяжения, предсказанный переходный процесс Tn, связанный с Ca ²⁺ , соответствует большей части флуоресцентных данных флуоресценции (рис. 3).Если мы примем немного более быстрое время достижения пикового напряжения, модель предсказывает более медленный распад Tn, связанного с Ca ²⁺ , что может лучше уловить всю тенденцию данных по флуо-3 (см. Дополнительные материалы).

Рис. 3. Динамика основных состояний тонкой нити с перекрытием . График зависимости от импульса свободного кальция (зеленый) представляет собой вычисленные переходные процессы состояний B (темно-синий), C (красный) и M (черный). Общий Ca ²⁺ -связанный Tn ( B ₂ + B ₃ + T ₂ + T ₃ ; золото) разбит на компоненты, т.е.е., быстрый ( B ₂ + B ₃ ; синий) и медленный ( T ₂ + T ₃ ; серый). На той же шкале представлены измеренные переходные процессы напряжения (кружки) и флуоресценции флуоресценции флуо-3 (квадраты) мышечных волокон со средней длиной саркомера 2,8 мкм, стимулированных одиночным импульсом (воспроизведено из Matsuo et al., 2010). Регулировки в стандартных условиях (таблица 1) изменяют ширину (Δ x _M ), высоту (Δ y _M ) и центр пика M (O), как описано в таблице 2.

Таблица 2. Отклик на корректировку стандартных условий .

Диссоциация Ca ²⁺ от регуляторных сайтов Ca ²⁺ Tn не является равномерной во времени. Из-за более быстрого отклонения Ca ²⁺ -связанных состояний B ( B ₂ + B ₃ ) высвобождает Ca ²⁺ быстрее, чем Ca ²⁺ -связанных T состояний ( T ₂ + T ₃ ; рисунок 3).Следовательно, значительная часть Tn высвободила Ca ²⁺ до того, как напряжение достигнет пика. Длительная диссоциация остаточного Ca ²⁺ происходит в основном из состояний T , которые представляют собой пул молекул Tn, удерживаемых от взаимодействия с актином в положении B из-за перекрестных мостиков (зависимый от перекрестных мостиков Ca ²⁺ — связанная Tn).

Переходный процесс без перекрытия

Связь между расчетными данными Tn, связанного с Ca ²⁺ , и данными по флуо-3 резко различается в мышечных волокнах, растянутых без перекрытия.Чтобы смоделировать отсутствие перекрытия, мы обнуляем K0 ‘ k _-0 в уравнении (1), но в остальном сохраняем скорости, установленные для условия перекрытия (таблица 1). При отсутствии кросс-мостиков распад рассчитанного тропонина, связанного с Ca ²⁺ , выраженный в сумме или разделенный на компоненты B и T , происходит намного быстрее, чем затухание флуоресценции флуо-3 (рис. 4). Никакие комбинации констант скорости не позволят модели соответствовать данным натяжения препарата с перекрытием и данным fluo-3 для препаратов с перекрытием и без перекрытия.Напротив, затухание флуоресценции флуо-3 является постоянным для условий перекрытия и отсутствия перекрытия (рисунки 3, 5). Следовательно, не существует причинно-следственной связи между расчетным состоянием тропонина, связанным с Ca ²⁺ , и флуоресценцией флуоресценции флуоресценции.

Рис. 4. Динамика основных состояний тонкой нити без перекрытия . График зависимости от импульса свободного кальция (зеленый) представляет собой вычисленные переходные процессы состояний B (темно-синий), C (красный) и M (черный).Всего Ca ²⁺ -связанных Tn ( B ₂ + B ₃ + T ₂ + T ₃ ; золото) разбивается на быстрые ( B ₂ + B ₃ ; синий) и медленный ( T ₂ + T ₃ ; серый) компоненты. Для сравнения, измеренная переходная флуоресценция флуоресценции флуоресценции 3 (квадраты) воспроизведена на Рисунке 3.

Рисунок 5.Динамика флуоресценции флуоресценции флюо-3 и переходных структурных изменений тропонина в неперекрывающихся саркомерах . Изменения интенсивности меридионального отражения 1 / 38,5 нм ^-1 (треугольники) и флуоресценции флуоресценции 3 (квадраты) в ответ на одиночный импульс кальция воспроизводятся для мышцы, растянутой без перекрытия (Matsuo et al., 2010). На том же масштабе в ответ на моделируемый импульс кальция (рис. 2) нанесены рассчитанные временные изменения состояния C (красный) и кальция, связанного с тропонином (золото) в стандартных условиях (таблица 1) с K0 ‘, установленным на ноль. .Другие корректировки в стандартных условиях (Таблица 2) изменяют скорость распада Tn, связанного с Ca ²⁺ (Δ x _CaB ), и взаимосвязь с переходным состоянием C (Δ diff _C ) .

Matsuo et al. (2010) показывают, что в препарате саркомера без перекрытия флуоресценция флуоресценции флуо-3 затухает медленнее, чем затухание меридиональной интенсивности отражения 1 / 38,5 нм ^-1 , что соответствует тропониновому повтору в тонкой нити (рис. ).Мы обнаружили, что рассчитанные временные ходы Tn, связанного с Ca ²⁺ , и положения Tm C коррелируют с переходным процессом интенсивности меридионального отражения 1 / 38,5 нм ^-1 (Рисунок 5). Систематический тест на чувствительность всех констант скорости показывает, что распад Tn, связанного с Ca ²⁺ , ограничен только k ₋₄ модели (рисунок 5, таблица 2). Это самая высокая из двух скоростей диссоциации, определенных для Ca ²⁺ из регулируемого актина (Rosenfeld and Taylor, 1987).Увеличение k ₋₄ в 1,33 раза, что находится в пределах диапазона измеренных значений (Rosenfeld and Taylor, 1987), и поддержание тех же стационарных условий (вставка, рисунок 2) приводит к скорости распада Ca ²⁺ -связанный Tn сближается по мере спада меридиональной 1 / 38,5 нм интенсивности отражения ^-1 (см. Дополнительные материалы). Кроме того, распады Tn, связанного с Ca ²⁺ , и состояния C Tm выравниваются более близко за счет увеличения K ₁ k _-1 (Рисунок 5, Таблица 2; см. Дополнительные материалы).Следовательно, модель предсказывает, что скорость затухания меридиональной интенсивности отражения 1 / 38,5 нм ^-1 в препарате без перекрытия дает in vivo меру скорости диссоциации Ca ²⁺ от Tn. Характерное увеличение интенсивности в ответ на Ca ²⁺ представляет собой Tn-зависимые структурные изменения тонкой нити (Yagi, 2003). Моделирование предполагает, что связанный с Ca ²⁺ Tn полностью регулирует структурные изменения, связанные с перемещением Tm в положение C в препарате без перекрытия.

Переходные структурные изменения с перекрытием

При подготовке к перекрытию структурные изменения, связанные с меридиональной интенсивностью отражения 1 / 38,5 нм ⁻¹ , являются более сложными (Matsuo et al., 2010), показывая изменения интенсивности с положительными и отрицательными наклонами с течением времени подергивания ( Рисунок 6). Ранний рост интенсивности отражения коррелирует с коротким периодом в начале импульса Ca ²⁺ , в котором модель предсказывает повышение Tn, связанного с Ca ²⁺ , и состояние C Tm перед переходом в состояние М Тм начинается.Большое отрицательное изменение интенсивности отражения имеет примерно такой же временной ход, как и расчетная доля Tm в позиции M (Рисунок 6). Минимальная интенсивность отражения наступает после того, как переходный процесс Ca ²⁺ затухает и расчетное состояние M достигает пика.

Рис. 6. Модель в сравнении с временными ответами, измеренными в перекрывающихся саркомерах . Интенсивности меридионального отражения 1 / 38,5 нм ^-1 (треугольники), натяжения (кружки) и флуоресценции флуоресценции флуоресценции 3 (квадраты) для средней длины саркомера 2.8 мкм в ответ на одиночный импульс кальция воспроизводятся (Matsuo et al., 2010). На том же масштабе в ответ на моделируемый импульс кальция (рис. 2) показаны рассчитанные временные изменения состояний C, (красный) и M (черный) и Tn, связанного с Ca ^2+, (золото) в соответствии со стандартом. условия (таблица 1). Корректировки в стандартных условиях (таблица 2) изменяют скорость распада связанного Ca ²⁺ Tn (Δ x _CaB ).

Расчетная скорость распада Tn, связанного с Ca ²⁺ , может быть сделана более быстрой, чем измеренное затухание флуоресценции флуо-3, путем увеличения констант скорости, K ₁ k ₋₁ , при фиксированном К ₁ (рисунок 6, таблица 2).Однако как абсолютные скорости, так и конкуренция между состояниями M и B для Tm в состоянии C (Рисунок 1) должны быть более экстремальными, чтобы поддерживать постоянным расчетный переходный процесс напряжения (Рисунок 3). Таким образом, баланс конкурирующих факторов объясняет корреляцию между расчетным состоянием Tn, связанным с Ca ²⁺ , и переходным процессом флуоресценции флуоресценции флуоресценции в перекрывающемся препарате (рис. 6).

Прогнозируемый ход во времени зависимого от моста Ca

²⁺ -Bound Tn

Crossbridge-зависимый Tn, связанный с Ca ²⁺ , представляет собой разницу между Tn, связанным с Ca ²⁺ , рассчитанным для условий перекрытия и неперекрытия, при сохранении переходного процесса свободного Ca ²⁺ постоянным (рис. 7).Остаток представляет собой пул связанного с поперечным мостиком Ca ²⁺ Tn, который составляет около 30% от общей площади под кривой. Подъем в пуле зависимого от моста Tn, связанного с Ca ²⁺ , начинается ближе к концу переходного процесса свободного Ca ²⁺ и продолжается во время спада переходного процесса растяжения. Достигая пика на ~ 60 мс, временной ход возрастания зависимого от моста Ca ²⁺ Tn наиболее тесно коррелирует с временным ходом фазы спада в меридиональной 1/38.5 нм ⁻¹ интенсивность отражения, которая достигает минимума при ~ 70 мс.

Рис. 7. Прогнозируемый временной ход зависимого от моста Ca ²⁺ -связанного Tn . Кросс-мост-зависимый Tn, связанный с Ca ²⁺ , является остаточным (пунктирная линия), полученным вычитанием Tn, связанного с Ca ²⁺ , рассчитанным для препарата без перекрытия (рис. 4), из рассчитанного Tn, связанного с Ca ²⁺ . для препарирования внахлест (сплошная золотая линия; Рисунок 3).Стимул для обоих условий (зеленый) взят из рисунка 2.

Обсуждение

Комплексная модель регуляции тонких филаментов, представленная здесь, поддерживает гипотезу о том, что связанный с Ca ²⁺ Tn имеет причинную связь со структурой Tn в тонком филаменте, а не с пулом Ca ²⁺ , представленным интенсивностью флуоресценции флуоресценции флюо-3. Вместо того, чтобы повторять затухание изменения флуоресценции флуо-3 в неперекрывающемся препарате мышцы лягушки, представленная здесь модель генерирует переходные процессы для Tn, связанного с Ca ²⁺ , и положения C Tm-Tn, которые соответствуют временным изменениям. по интенсивности меридионального 1/38.Отражение 5 нм ⁻¹ в ответ на стимул Ca ²⁺ . Модель предсказывает аналогичные скорости диссоциации Ca ²⁺ из регуляторных сайтов Tn в первые 50 мс после стимуляции обоих препаратов, перекрываясь и не перекрываясь. По истечении этого периода модель предсказывает, что распады Tn, связанного с Ca ^2+, , в двух препаратах расходятся, тем самым демонстрируя долю Tn, связанного с Ca ²⁺ , которая сохраняется благодаря межмостиковому взаимодействию. Учитывая один и тот же переходный процесс свободного Ca ²⁺ как для условий перекрытия, так и для условий без перекрытия, расчеты Tn, связанного с Ca ²⁺ , и Tn, связанного с перекрестным мостом, связанного с Ca ²⁺ , коррелируют с временными ходами положительных и отрицательных изменений. по интенсивности меридионального 1/38.Отражение 5 нм ^-1 , соответственно, наводящее на мысль о причинно-следственной связи. Воспроизводя подергивание хорошо изученной физиологической системы с учетом хорошо воспроизводимого экспериментального переходного процесса Ca ²⁺ , мы достигаем доказательства концепции представленной здесь модели.

Fluo-3 может реагировать на обменный пул Ca ²⁺ , связанный с буферами Ca ²⁺ в саркоплазме (Cannell and Allen, 1984; Baylor and Hollingworth, 1998). Небольшие диффундирующие молекулы, связывающие Ca ²⁺ , такие как АТФ и парвальбумин, в миофиламентах могут способствовать диффузии Ca ²⁺ (Feher, 1984) и тем самым, возможно, уменьшать случайные неоднородные события реактивации в расслабляющих миофибриллах.Однако фиксированный буфер Ca ²⁺ также продлевает повышенное содержание Ca ²⁺ в цитозоле при любой длине саркомера, независимо от статуса Tn, связанного с Ca ²⁺ . Затухание флуоресценции флуоресценции флюо-3 может представлять собой компромисс, основанный на требованиях Ca ²⁺ для работающих и расслабленных мышц.

Мы предполагаем, что аппарат для секвестрации Ca ²⁺ обладает способностью предотвращать значительный рост свободного Ca ²⁺ , возникающий в результате скопления зависимого от моста Tn, связанного с Ca ²⁺ , во время подергивания.Помимо равновесного связывания Ca ²⁺ с буферными агентами, представленными интенсивностью флуоресценции флуо-3, Ca ²⁺ активно транспортируется из саркоплазмы с помощью насоса Ca ²⁺ саркоплазматического ретикулума (SR Ca ^{2 +} -ATPase). Предыдущие результаты исследования быстрых скелетных мышц земноводных с использованием ингибиторов SR Ca ²⁺ -АТФазы показали, что распад, а не пик свободного Ca ²⁺ , зависит от активного транспорта Ca ²⁺ (Jiang et al., 1996; Вестерблад и Аллен, 1996; Мем и др., 1998; Caputo et al., 1999). Задержка начала свидетельствует против значительного вклада в процесс нарастания и затухания свободных искр Ca ²⁺ за счет диссоциации Ca ²⁺ из пула зависимого от моста Tn, связанного с Ca ²⁺ . Мы предполагаем, что скорость и нагрузка Ca ²⁺ , диссоциирующих от зависимого от поперечного мостика Ca ²⁺ -связанного Tn, находятся в пределах способности буферов Ca ²⁺ и SR Ca ²⁺ -АТФазы по перемещению в SR. без воздействия на значительное увеличение свободного от саркоплазмы Ca ²⁺ .

Одно из предположений модели состоит в том, что кооперативная активация зависит исключительно от велосипедных переходов. Хотя уравнение (1) отличается тем, что является более общей формой уравнения Хилла (Zot et al., 2012), полученная нами результирующая система ODE математически совместима с любой логистической функцией. Следовательно, представленная здесь модель ограничивается механизмом регулирования, в котором стационарный процесс полностью учитывает кооперативные переходы между состояниями C и M .

Второе предположение модели состоит в том, что активированное состояние, M , пропорционально доле максимального напряжения. Это упрощение согласуется с предложением о том, что поперечные мосты, несущие растяжение, исключены из состояний тонкой нити C и B (Lehman et al., 2000).

Третье предположение модели состоит в том, что связывание Ca ²⁺ с регуляторными сайтами TnC не связано с процессом активации, когда комплекс Tm-Tn находится в положениях C и M .Следовательно, мы моделируем положение C как благоприятное при равновесии. Tm занимает позиции C или B в реконструкциях скелетных и сердечных филаментов, соответственно, но комплекс Tm-Tn расположен исключительно в C с присутствием Ca ²⁺ (Lehman et al., 2000) . По общему мнению, Ca ²⁺ требуется для высвобождения Tm-Tn из позиции B . Возможный, хотя и более сложный механизм заключается в том, что Ca ²⁺ оказывает второе, независимое действие, а именно нарушает положение равновесия комплекса Tm-Tn.Эту последнюю возможность трудно согласовать с механизмом расцепления.

Хотя мы не рассматриваем конкретную миопатию, мы предполагаем, что представленные здесь результаты могут быть экстраполированы на механизмы, лежащие в основе заболевания. Используя модель, которая учитывает регуляторные свойства Ca ²⁺ Tn, мы обеспечиваем удовлетворительное объяснение событий сокращения, возникающих в результате переходного процесса свободного Ca ²⁺ . Представленная здесь модель согласуется с предыдущими экспериментальными результатами, показывающими некооперативное связывание Ca ²⁺ с регулируемым актином в присутствии или отсутствии поперечных мостиков жесткости, и повторяет сложные кооперативные отношения между связыванием Ca ²⁺ и силой в устойчивом состоянии. -состояние (рисунок 2).Из восьми регулируемых параметров (Таблица 2) мы постоянно публиковали результаты, в которых только K ₁ свободно настраивается, а K ₃ и K ₅ изменяются заданным образом. Недавнее исследование показывает, что представленная здесь модель может использоваться в экспериментах, объясняющих, как мутация в TnC изменяет чувствительность миофиламентов сердца к Ca ²⁺ , связанную с гипертрофическим состоянием сердца (Zot et al., 2016b). Предыдущее исследование показывает, что представленная здесь модель может полностью объяснить угнетающее действие Ca ²⁺ -нечувствительного мутанта TnC на кооперативную активацию волокон скелетных мышц (Zot et al., 2009). Следовательно, растущее количество экспериментальных результатов в сердечных и скелетных мышцах, мутантных препаратах и ​​препаратах дикого типа, восстановленных и интактных системах, а также в стационарных и переходных условиях объясняется одной и той же моделью и сильно ограниченными параметрами этой модели. В качестве надежного и надежного средства прогнозирования переходных и установившихся изменений в структуре тонких филаментов, связанных с Tn, связанным с Ca ²⁺ , представленная здесь модель способна направлять будущие эксперименты по раскрытию механизмов, с помощью которых мутации в связке возбуждения и сокращения приводят к патологическим состояниям.

Авторские взносы

Каждый из авторов внес значительный вклад в концепцию и дизайн работы, разработку и редактирование рукописи, а также окончательное утверждение версии, которая будет опубликована. Оба автора соглашаются нести ответственность за все аспекты работы.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fphys.2016.00406

Сокращения

Тропонин, Тн; тропомиозин, Tm; B , состояние Tm в положении блокировки; С , состояние Тм в центральном положении; M , состояние Tm в миозин-зависимой позиции.

Список литературы

Бэйлор, С. М., и Холлингворт, С.(1998). Модель саркомерных движений Ca ²⁺ , включая связывание и диффузию ATP Ca ²⁺ , во время активации скелетных мышц лягушки. J. Gen. Physiol. 112, 297–316. DOI: 10.1085 / jgp.112.3.297

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бейлор, С. М., и Холлингворт, С. (2007). Моделирование движений Ca ²⁺ в саркомере быстро сокращающихся мышиных волокон, стимулированных потенциалами действия. J. Gen. Physiol. 130, 283–302. DOI: 10.1085 / jgp.200709827

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бейлор, С. М., и Холлингворт, С. (2011). Индикаторы кальция и передача сигналов кальция в волокнах скелетных мышц во время сцепления возбуждения-сокращения. Prog. Биофиз. Мол. Биол. 105, 162–179. DOI: 10.1016 / j.pbiomolbio.2010.06.001

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бэйлор, С.М., Холлингворт, С., и Чендлер, В.К. (2002). Сравнение смоделированных и измеренных искр кальция в неповрежденных волокнах скелетных мышц лягушки. J. Gen. Physiol. 20, 349–368. DOI: 10.1085 / jgp.20028620

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брандт, П. В., и Поггези, К. (2014). Кластеры связанного Ca ²⁺ инициируют сокращение быстрых скелетных мышц. Arch. Biochem. Биофиз. 552–553, 60–67. DOI: 10.1016 / j.abb.2013.12.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каннелл, М.Б. и Аллен Д. Г. (1984). Модель движения кальция при активации в саркомере скелетных мышц лягушки. Biophys. J. 45, 913–925. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (84) 84238-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капуто К., Боланьос П. и Эскобар А. Л. (1999). Быстрое выведение кальция при одиночных подергиваниях в волокнах скелетных мышц амфибий. J. Mus. Res. Cell Motil. 20, 555–567. DOI: 10.1023 / A: 1005526202747

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капуто, К., Эдман, К. А., Лу, Ф., и Сан, Ю. Б. (1994). Изменение концентрации Са ²⁺ в миоплазме во время сокращения и расслабления изучали с помощью индикатора fluo-3 в мышечных волокнах лягушки. J. Physiol. 478 (Pt 1), 137–148. DOI: 10.1113 / jphysiol.1994.sp020237

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дэвис, Дж. П., Ралл, Дж. А., Райзер, П. Дж., Смилли, Л. Б., и Тикунова, С. Б. (2002). Разработка конкурентоспособного связывания магния с первой EF-рукой скелетного тропонина C. J. Biol. Chem. 277, 49716–49726. DOI: 10.1074 / jbc.M208488200

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ганье, С. М., Цуда, С., Ли, М. Х., Смилли, Л. Б., и Сайкс, Б. Д. (1995). Структуры регуляторных доменов тропонина С в апо- и насыщенных кальцием состояниях. Nat. Struct. Биол. 2: 784–789. DOI: 10.1038 / nsb0995-784

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грабарек, З., Грабарек, Дж., Ливис, П. К., и Гергели, Дж. (1983). Кооперативное связывание со специфическими для Ca ²⁺ сайтами тропонина С в регулируемом актине и актомиозине. J. Biol. Chem. 258, 14098–14102.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Гризер, М. Л., и Гергей, Дж. (1973). Очистка и свойства компонентов от тропонина. J. Biol. Chem. 248, 2125–2133.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Харкинс, А.Б., Куребаяши, Н., и Бейлор, С. М. (1993). Свободный миоплазматический кальций в волокнах скелетных мышц лягушки оценивается с помощью fluo-3. Biophys. J. 65, 865–881. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (93) 81112-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хилл, А. В. (1910). Возможные эффекты агрегации молекул гемоглобина на его кривые диссоциации. J. Physiol. 40, iv – vii.

Google Scholar

Холлингворт, С., Бейлор, С.М. (2013). Сравнение движений миоплазматического кальция во время сцепления возбуждения-сокращения в мышечных волокнах лягушки и быстрых мышцах. J. Gen. Physiol. 141, 567–583. DOI: 10.1085 / jgp.201310961

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Холлингворт С., Джи К. Р. и Бейлор С. М. (2009). Низкое сродство Ca ²⁺ , показатели, сравниваемые при измерениях скелетных мышц Ca ²⁺ , переходные процессы. Biophys. J. 97, 1864–1872.DOI: 10.1016 / j.bpj.2009.07.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзян Ю., Джонсон Дж. Д. и Ралл Дж. А. (1996). Парвальбумин расслабляет скелетные мышцы лягушки при ингибировании саркоплазматической Ca ²⁺ -АТФазы. Am. J. Physiol. 270, C411 – C417.

Google Scholar

Кониши М., Холлингворт С., Харкинс А. Б. и Бейлор С. М. (1991). Переходные процессы миоплазматического кальция в интактных волокнах скелетных мышц лягушки отслеживаются с помощью флуоресцентного индикатора фураптра. J. Gen. Physiol. 97, 271–301. DOI: 10.1085 / jgp.97.2.271

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леман В., Хэтч В., Корман В., Росол М., Томас Л., Мейтум Р. и др. (2000). Изоформы тропомиозина и актина модулируют локализацию цепей тропомиозина на актиновых филаментах. J. Mol. Биол. 302, 593–606. DOI: 10.1006 / jmbi.2000.4080

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мацуо, Т., Ивамото, Х., Яги, Н. (2010). Мониторинг структурного поведения тропонина и концентрации свободного миоплазмы Ca ²⁺ во время подергивания скелетных мышц лягушки. Biophys. J. 99, 193–200. DOI: 10.1016 / j.bpj.2010.04.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мацуо, Т. Яги, Н. (2008). Структурные изменения тонкой нити мышцы при сокращениях, вызванные одиночными и двойными электрическими импульсами. J. Mol. Биол. 383, 1019–1036.DOI: 10.1016 / j.jmb.2008.09.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мем, В., Хюше-Кадиу, К., и Леоти, К. (1998). Вызванные циклопиазоновой кислотой изменения в сокращении и переходный процесс Ca ²⁺ быстро сокращающихся скелетных мышц лягушки. Am. J. Physiol. 274, C253 – C261.

PubMed Аннотация

Минта А., Као Дж. П. и Цзянь Р. Ю. (1989). Флуоресцентные индикаторы цитозольного кальция на основе хромофоров родамина и флуоресцеина. J. Biol. Chem. 264, 8171–8178.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Поттер, Дж. Д., и Гергели, Дж. (1975). Сайты связывания кальция и магния на тропонине и их роль в регуляции миофибриллярной аденозинтрифосфатазы. J. Biol. Chem. 250, 4628–4633.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Робертсон, С. П., Джонсон, Дж. Д., и Поттер, Дж. Д. (1981). Динамика обмена Ca ²⁺ на кальмодулин, тропонин, парвальбумин и миозин в ответ на временное повышение Ca ²⁺ . Biophys. J. 34, 559–569. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (81) 84868-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розенфельд, С.С., и Тейлор, Э.В. (1987). Механизм регуляции АТФазы субфрагмента 1 актомиозина. J. Biol. Chem. 262, 9984–9993.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Такеда, С., Ямасита, А., Маэда, К., и Маэда, Ю. (2003). Структура основного домена сердечного тропонина человека в Ca ²⁺ -насыщенной форме. Природа 424: 35–41. DOI: 10.1038 / nature01780

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трегер Р. Т., Риди М. К., Голдман Ю. Э., Тейлор К. А., Винклер Х., Францини-Армстронг К. и др. (2004). Число, положение и угол перемычки в целевых зонах криофиксированной изометрически активной мускулатуры полета насекомого. Biophys. J. 86, 3009–3019. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (04) 74350-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вестерблад, Х.и Аллен Д. Г. (1996). Замедление расслабления и [Ca ²⁺ ] i при длительной тетанической стимуляции отдельных волокон скелетных мышц Xenopus. J. Physiol. Лондон. 492, 723–736. DOI: 10.1113 / jphysiol.1996.sp021341

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wnuk, W., Schoechlin, M., and Stein, E.A. (1984). Регулирование актомиозин-АТФазы одним сайтом связывания кальция на тропонине С из раков. J. Biol. Chem. 259, 9017–9023.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Зот А.С. и Поттер Дж. Д. (1987). Влияние [Mg ²⁺ ] на зависимость Ca ²⁺ АТФазы и развитие напряжения быстрых скелетных мышц. Роль Ca ²⁺ -специфических сайтов тропонина C. J. Biol. Chem. 262, 1966–1969.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Зот Х. Г., Гют К. и Поттер Дж. Д. (1986). Волокна и миофибриллы быстрых скелетных мышц, покрытые кожей, восстановленные с помощью N-концевых флуоресцентных аналогов тропонина С. J. Biol. Chem. 261, 15883–15890.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Зот, Х. Г., Хасбун, Дж. Э., Мичелл, К. А., Ландим-Виейра, М., и Пинто, Дж. Р. (2016b). Повышенное связывание тропонина I объясняет функциональные изменения, вызываемые мутацией гипертрофической кардиомиопатии A8V сердечного тропонина C. Arch. Biochem. Биофиз. 601, 97–104. DOI: 10.1016 / j.abb.2016.03.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зот, Х.Г. и Поттер Дж. Д. (1987). Измерение связывания кальция и флуоресценции тропонина С, меченного дансилазиридином, в восстановленных тонких филаментах. J. Muscle Res. Клетка. Мотил. 8, 428–436. DOI: 10.1007 / BF01578432

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

.