Изменения возбудимости клетки

Принято считать мерой возбудимости пороговую (минимальную) силу раздражителя, вызывающую генерацию ПД. Пороговая сила зависит от разности двух величин – исходного мембранного потенциала и критического уровня деполяризации мембраны, необходимого для возникновения потенциала действия. Чем ближе мембранный потенциал к критическому потенциалу, тем выше возбудимость. Напротив, чем больше разность между мембранным потенциалом и его критическим уровнем, тем возбудимость ниже (рис. 14).

Критический уровень деполяризации характеризует способность Na⁺-каналов к активации и не является постоянной величиной. Он изменяется в зависимости от количества Са²⁺ в крови, применения местных анестетиков (новокаина, лидокаина), блокаторов мембранных каналов, при действии постоянного тока, в различные фазы ПД и пр. При снижении способности Na⁺-каналов к активации величина критического потенциала становится более положительной и порог возбуждения увеличивается. Облегчение активации Na⁺-каналов, напротив, увеличивает критический потенциал и уменьшает порог раздражения.

Значение мембранного потенциала также оказывает влияние на пороговую силу раздражения. Изменить МП можно различным способом. В частности, пропускание постоянного тока через мембрану сдвигает МПП, в результате в области приложения катода мембрана деполяризуется, возбудимость повышается и мембрана возбуждается. В области приложения анода мембрана гиперполяризуется и ее возбудимость понижается. Эта закономерность была установлена уже в 1859 году немецким физиологом Э.Пфлюгером и называется полярным законом.

Русский врач Б.Ф. Вериго в 1883 году показал, что при продолжительном действии тока полярный закон меняется: под катодом возбудимость через некоторое время после начала раздражения снижается (катодическая депрессия), а под анодом - повышается (анодическая экзальтация) (рис. 15).

Катодическая депрессия (или потенциалзависимая инактивация) объясняется инактивацией Na⁺-потенциалзависимых каналов при длительной деполяризации мембраны. Деполяризация может быть вызвана не только действием катода, но и различными химическими веществами или изменением ионных концентраций в среде. Если длительно деполяризованная мембрана еще способна к развитию ПД, то его амплитуда уменьшается по сравнению с нормой, так как уменьшается количество работающих Na⁺-каналов, так как значительная их часть инактивирована. Активировать каналы можно только возвращением потенциала к прежней величине.

Возбудимость нервной и мышечной тканей может меняться при различных заболеваниях, например при почечной недостаточности, приводящей к гиперкалиемии и деполяризующей мембрану. Длительная деполяризация может привести к остановке сердца. Возбудимость возрастает при врожденной патологии, называемой первичным гиперкалиемическим параличом. При таком заболевании у пациента периодически возникают болезненные спонтанные мышечные сокращения. Этот симптом вызван повышением концентрации К⁺ во внутренней среде. У некоторых пациентов с таким заболеванием Na⁺-каналы мутированы и имеют пониженную скорость инактивации при деполяризации. В результате длительность ПД возрастает и выход К⁺ при каждом ПД увеличивается. Внеклеточная концентрация К⁺ возрастает. Повышение внеклеточной концентрации К⁺ деполяризует скелетную мышечную клетку и приближает МПП к пороговому потенциалу. Вероятность спонтанной деполяризации до порога и самопроизвольного сокращения возрастают. При достаточно большой и длительной деполяризации происходит аккомодация (см. ниже) вследствие инактивации Na⁺-каналов. Спонтанное сокращение прекращается, но клетка теряет способность реагировать генерацией ПД и сокращением в ответ на ПД мотонейрона.

В некоторых случаях повышение внеклеточной концентрации К⁺ используют в медицинской практике, например раствор К⁺ с концентрацией 12мМ/л называют кардиоплегическим раствором, применяемым для остановки сердца в кардиохирургии.

В отличие от факторов, увеличивающих возбудимость мембраны, имеются факторы, которые могут уменьшать возбудимость, они называются мембраностабилизирующими факторами. Например, высокая внеклеточная концентрация ионов Са⁺⁺ уменьшает способность Na⁺ -каналов к активации и проницаемость мембраны для Na⁺, т.е. возбудимость мембраны понижается. Следовательно, Са⁺⁺ может быть назван стабилизатором мембранного потенциала.

Стабилизаторы используются в клинической практике как локальные анестетики, например новокаин, прокаин, тетракаин. Многие из них действуют непосредственно на активационные ворота Na⁺-каналов, затрудняя их открывание, и уменьшают возбудимость. Если возбудимость анестезированой области снижена, нервный импульс не может генерироваться в этом участке и проведение ПД прекращается.

Анодическая экзальтация при гиперполяризации вызвана активацией дополнительного числа Na⁺-каналов. В обычных условиях при развитии ПД активируются около 60% натриевых каналов клеточной мембраны, но при гиперполяризации клеточной мембраны постоянным током степень активации может доходить до 100%. В медицинской практике анодическая экзальтация может развиваться, например, при электрофорезе в области действия анода. Увеличенная возбудимость способна привести к выраженному болевому эффекту в ответ на выключение и быстрое прекращение тока. В связи с этим электрофорез следует завершать постепенным (медленным) уменьшением анодного тока.

Если нервная или мышечная клетка деполяризуются медленно, достижение нормального порогового потенциала не приводит к развитию ПД. Это свойство называется аккомодацией (Рис. 16). Nа⁺- и К⁺ -каналы одновременно вовлекаются в процесс аккомодации. При медленной деполяризации часть Na⁺-каналов успевает инактивироваться до того, как МП достигает порогового значения и количество активированных Na⁺-каналов, необходимое для генерации ПД, не может быть достигнуто. К⁺-каналы при деполяризации открываются и повышенная проводимость для К⁺ реполяризует мембрану, дополнительно уменьшая ее возбудимость.

Разные ткани характеризуются различной способностью к аккомодации. Чувствительные нервные волокна имеют низкую аккомодационную возможность и сохраняют возбудимость при действии длительного медленно меняющегося постоянного тока. У моторных нервов аккомодация развивается быстрее.

Зависимость силы раздражения от времени его действия. Чем сильнее раздражитель, тем большую деполяризацию мембраны он вызывает. Когда деполяризация доходит до критического уровня, происходит генерация ПД (возбуждение). Однако достижение критического уровня потенциала определяется не только силой приложенного тока, но также и длительностью его действия. Поэтому пороговый стимул (минимальный раздражитель, вызывающий возбуждение) необходимо характеризовать двумя величинами: силой и временем его действия.

Зависимость пороговой силы раздражения от длительности ее действия, близка к гиперболической. Эту кривую, часто используемую в практической медицине, принято описывать с помощью двух параметров – минимальной пороговой силы, необходимой для возбуждения при неограниченной длительности стимула (реобаза) и минимального порогового времени, при котором вызывает возбуждение ток, равный двум реобазам (хронаксия) (рис. 17).

Количественная оценка возбудимости с помощью реобазы и хронаксии (хронаксиметрия) широко применяется в клинике для определения возбудимости нервов и мышц. Начиная со стимуляции ткани минимальной силой постоянного электрического тока, врач постепенно повышает величину тока и, регистрируя сокращение мышцы, находит реобазу чувствительных и двигательных нервов. Далее силу стимула удваивают (две реобазы) и, используя сигналы возрастающей длительности, находят хронаксию. Так как возбудимость нервов намного выше, чем у мышц, реобаза и хронаксия этих структур небольшая. Если ответ ткани при ожидаемых услових симуляции отсуствует, значение тестирующего тока увеличивают. Если ответ все же возникнет, но при больших значениях тока, он будет обусловлен уже прямым действием раздражителя на мышечные клетки. Таким образом, при ограничении или полной утрате двигательной активности мышцы можно сделать вывод о возможной локализации повреждения.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое возбудимость? Чем отличается возбудимость от возбуждения?

2. Что является критерием возбудимости? От чего зависит возбудимость?

3. Что такое критический уровень деполяризации?

4. Что такое полярный закон Пфлюгера? Расскажите о механизмах изменения возбудимости при приложении катода и при приложении анода.

5. Как изменяется полярный закон при длительном действии постоянного тока на мембрану? Что такое катодическая депрессия и анодическая экзальтация?

6. Как изменится возбудимость при медленном нарастании величины деполяризующего тока? Что такое аккомодация и каковы механизмы ее развития?

7. Как изменяется возбудимость при изменении времени действия стимула? Нарисуйте график зависимости пороговой силы раздражения от длительности ее действия.

8. Что такое реобаза и хронаксия? Как хронаксиметрия применяется в клинике?

9. На нерв действуют фактором, который не влияет на КУД. Тем не менее пороговый потенциал увеличивается. Чем это можно объяснить? Как при этом изменяется возбудимость нерва?