Предисловие

Вид материала

Документы

Содержание Возбудимость гладкомышечных клеток и ионная теория мембранного потенциала

Подобный материал:

• Содержание предисловие  3 Введение, 2760.07kb.
• Томас Гэд предисловие Ричарда Брэнсона 4d брэндинг, 3576.37kb.
• Электронная библиотека студента Православного Гуманитарного Университета, 3857.93kb.
• Е. А. Стребелева предисловие,, 1788.12kb.
• Breach Science Publishers». Предисловие. [3] Мне доставляет удовольствие написать предисловие, 3612.65kb.
• Том Хорнер. Все о бультерьерах Предисловие, 3218.12kb.
• Предисловие предисловие petro-canada. Beyond today’s standards, 9127.08kb.
• Библейское понимание лидерства Предисловие, 2249.81kb.
• Перевод с английского А. Н. Нестеренко Предисловие и научное редактирование, 2459.72kb.
• Тесты, 4412.42kb.

^

ВОЗБУДИМОСТЬ ГЛАДКОМЫШЕЧНЫХ КЛЕТОК И ИОННАЯ ТЕОРИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА

Живые клетки отвечают возбуждением на действие различных раздражителей. Это свойство проявляется в одноклеточных микроорганизмах и в организмах с многоклеточной структурой, функция которых обусловлена влиянием целостного организма. «Возбудимость — свойство клеточных мембран отвечать на действие адекватных раздражителей специфическими изменениями ионной проницаемости мембранного потенциала» (Ходоров Б. И., 1969).

В возбудимых мембранах мышечных клеток матки возникает регенеративная форма электрогенеза, которая отражает двусторонние прямые и обратные связи между потенциалом и ионной проницаемостью. Сущность этих явлений заключается в том, что спонтанный раздражитель вызывает изменение проницаемости мембраны для ионов и обусловливает их перемещение в одну и другую сторону мембраны, вследствие чего возникает изменение мембранного потенциала.

Электрические явления в каждой отдельной мышечной клетке лишены функционального смысла, если они не подчинены общим закономерностям функции органа и процессам возбуждения целостного организма. Они должны быть едины в функциональном отношении, а направленность этой функции обусловлена влиянием гуморальных факторов и различных уровней нервной системы.

Различают мембранный потенциал, который отражает уровень поляризации мембраны мышечной клетки, потенциал покоя — средний уровень поляризации мышечной клетки в покое, и потенциал действия, возникновение которого связано с сокращением мышечной клетки. Потенциал действия клетки возникает при появлении критической деполяризации возбудимой мембраны (Jerenick, Gerard, 1953).

В мышечных клетках висцеральных органов, которым свойственна спонтанная возбудимость, потенциал протоплазматической мембраны подвергается значительным колебаниям и находится в зависимости от многих факторов: гормональных влияний, функционального состояния клеток — покоя, сокращения, растяжения и др.

Электрические явления в живых тканях были известны еще в прошлом столетии, однако механизм их возникновения и по настоящее время окончательно не решен. Современная электрофизиология тканей и отдельных клеток накопила большое число фактов, которые послужили основой для создания представлений об электрических явлениях в тканях и механизмах их регуляции.

Высказанная Oswald (1890) идея о роли клеточных мембран в возникновении электрических явлений в клетках была развита Bernstein (1902, 1912). В соответствии с высказанной им гипотезой мембрана нервных и мышечных клеток, находящихся в покое, избирательно проницаема для ионов K⁺, концентрация которых во внутриклеточной среде выше, чем во внеклеточном пространстве. Потенциал покоя, по данным Bernstein, определяется калиевым диффузионным потенциалом вследствие создания определенного равновесия электролита по обе стороны клеточной мембраны. В дальнейшем было установлено, что клеточная мембрана проницаема для ионов Cl^– и Na⁺.

Основоположниками современной теории мембранного потенциала являются Hodgkin и Hyxley. По данным Hodgkin, Hyxley, Katz (1949), Hodgkin (1951), Hodgkin и Hyxley (1951), потенциалы покоя и действия возбудимых клеточных структур, которые исследованы на нервных клетках и нервных волокнах, находятся в зависимости от проницаемости ионов калия и натрия. Для нервного волокна получена константа проницаемости, которая соответствует отношению:

P_K : P_Na : P_Cl = 1:0,04:0,45

Проницаемость хлора и калия значительно выше, чем натрия. Это отношение сохраняется при содержании калия в пределах 1–15 μM. При повышении концентрации калия возникает деполяризация и значительное превышение P_K над P_Na и P_Cl. Перемещение ионов через мембрану клетки не является простой диффузией, а определяется биологическими свойствами клетки, то есть является активным энергетически обусловленным процессом.

Появление потенциала действия с амплитудой до 100 мв сопровождается увеличением степени проникновения натрия внутрь клетки от 0,04 до 20, то есть в 500 раз.

Мембранным потенциалом покоя называют такое распределение ионов, которое создает заряд мембраны между потенциалами действия или их разрядами. Потенциалы покоя гладкомышечных клеток меньше, чем скелетных мышц. Для большей части гладких мышц показатель мембранного потенциала находится в пределах 50—70 мв, для скелетных мышц — 70—90 мв. Теоретические расчеты калиевого потенциала (E_K), основанные на концентрации калия внутри клеток, показали, что соответствие потенциала покоя расчетному находится в зависимости от определенных уровней концентрации этих ионов в среде. При изменении этих уровней потенциал покоя не будет соответствовать теоретически рассчитанным показателям. Расчетный потенциал для гладких мышц составляет 85 мв, для скелетных — 101,5 мв. Различная проницаемость для ионов калия и натрия приводит к своеобразной ионной асимметрии с преобладанием ионов калия внутри клетки, а натрия — во внеклеточной среде.

На мембране устанавливается разность потенциалов. Наружная поверхность мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя ее поверхность—отрицательный. Устанавливается определенное ионное равновесие, которое определяет потенциал покоя мембраны. Для гладкомышечных клеток потенциал покоя колеблется в пределах 40–70 мв.

Деполяризация мембраны, определяющая функциональное состояние клетки (волокна), характеризуется резким возрастанием ее проницаемости для ионов натрия. Последние проникают, по мнению ряда авторов, через соответствующие «натриевые каналы» мембран из экстрацеллюлярной жидкости, а ионы калия перемещаются из клетки через «калиевые каналы» во внеклеточную среду. Это приводит к устранению ионной асимметрии и деполяризации мембраны, что характеризуется потенциалом действия, который является электрическим эквивалентом этого процесса.

Мышечные клетки матки относятся к спонтанно возбудимым структурам. Выход потенциалов действия проявляется механической активностью мышечных клеток.

Транспорт ионов калия и натрия против градиента их концентрации обеспечивается энергией АТФ клетки, накопление которой обусловлено соответствующими уровнями энергетического обмена. Этот процесс получил название калий-натриевого насоса (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11

Биомолекулярная структура мембран возбудимых клеток окончательно не изучена. Полагают, что она состоит из слоя липидов, который покрыт внутри белковым и снаружи белковомукополисаха-ридными нелипидными слоями. Асимметрия структуры мембраны, как полагают, определяет ее электрическую, ферментную и фармакологическую асимметрию. Толщина мембраны равна 100 Å. По данным многих авторов, имеются «каналы для калия и натрия», которые функционируют независимо друг от друга. В настоящее время райдены химически активные вещества, которыми можно избирательно блокировать функцию одного из каналов, при полном сохранении функций другого. Высказано несколько предположений относительно структуры и функции калиевых и натриевых каналов мембран клеток, по которым осуществляется активное проникновение электролитов через мембрану. Большое число оригинальных исследований по изучению транспорта ионов калия и натрия указывают на важное значение двухвалентного катиона Сa⁺⁺ в регуляции этих процессов. Имеются данные, указывающие, что фосфолипидные и белковые комплексы Сa⁺⁺ являются своеобразными воротами каналов. Эти комплексы фиксируются структурными элементами мембраны и регулируются ее электростатическим полем. Резкое изменение содержания ионов калия и натрия при деполяризации мембраны находится в зависимости от концентрации Сa⁺⁺, при деполяризации мембрана теряет ионы кальция.

Функциональная активность матки и ее мышечных клеток находится в прямой зависимости от влияния половых гормонов, некоторых биологически активных веществ (гистамин, серотонин) и медиаторов (ацетилхолин, норадреналин). Транспорт ионов калия, натрия и кальция в мембранах возбудимых клеток и в мышечных клетках матки должен регулироваться половыми гормонами или биологически активными соединениями, накопление которых в матке находится в прямой зависимости от гормонов.

В динамике беременности уменьшается содержание кальция в плазме крови к концу беременности, но увеличивается в мышце матки. При нормальном течении беременности количество калия и натрия как в плазме, так и в мышце матки возрастает. Зная биологическое значение этих электролитов, мы можем предполагать, что их максимальное накопление в мышце матки к концу беременности находится, по-видимому, в определенной зависимости от родовой деятельности. Константы накопления этих электролитов должны определять оптимальные уровни их содержания в мышечных клетках и во внеклеточном секторе, что в свою очередь определяет оптимальные уровни электрического заряда мембран и их деполяризацию в процессе мышечного сокращения. Разность концентрации кальция в плазме и мышце матки объясняется современной теорией возбуждения клеточных мембран. Повышение Уровней проницаемости калия и натрия при деполяризации мембраны сопровождается снижением количества кальция в мембране до критического уровня покоя (Ca₀). Снижение кальция в мембране, возможно, связано с его низкой концентрацией в плазме и в межклеточном секторе. Однако разность градиентов концентрации кальция в мышце матки и плазме может иметь и другое биологическое-значение. Мы не разделяем мнения тех акушеров, которые склонны объяснять низкие показатели содержания кальция в плазме избирательной потребностью плода в солях кальция. При переменной беременности и слабости родовой деятельности концентрация этих трех электролитов в матке уменьшается и находится, по-видимому, ниже критических уровней, обеспечивающих нормальную пункцию возбудимых мембран мышечных клеток матки.

Акушеры эмпирически доказали, что введение солей кальция в кровяное русло роженицы при слабости родовой деятельности ; оказывает стимулирующее действие на механическую активность, миометрия. Однако этот эффект не является постоянным и в достаточной степени выраженным, вследствие чего метод не имеет самостоятельного значения.

Возможно, что введенный кальций не всегда фиксируется на мембране мышечных клеток (мембрана клетки чувствительна к ионизированной форме электролита), поэтому не образуются критические уровни электролита, которые способствуют снижению его в мембране в процессе деполяризации. Результаты проведенных, нами экспериментальных исследований показали, что после предварительного насыщения животных оптимальными дозами эстрогенов введение кальция вместе с серотонином приводит к значительному накоплению электролита в субклеточных фракциях миометрия. Максимальное накопление кальция (до 30–45% исходного уровня) происходит в митохондриях и рибосомах. Серотонин, введенный вместе с кальцием после насыщения беременных и рожениц эстрогенами (300 ед/кг в течение 2–5 дней или одноразово, на эфире), усиливает моторную функцию матки. Этим методом можно вызвать схватки при необходимости преждевременного прерывания беременности. Это дает нам основание считать, что эстрогены и серотонин являются своеобразными катализаторами процессов, лежащих в основе формирования мембранного потенциала, и определяют механизмы, обеспечивающие клетку оптимальными градиенттами концентрации ионов кальция как на мембране, так и в субклеточных структурах. Однако механизм этих явлений недостаточно изучен.

Потенциалы покоя мембран мышцы матки у различных животных и человека варьируют в значительных пределах. Матка небеременной крысы при отсутствии спонтанной активности имеет потенциал покоя в пределах 40–60 мв (Katch, Marshall, Jung), матка кролика (вне течки) — 30–35 мв (Goto, Csapo), кошки — 25–60 мв (Daniel, Singh). У многих видов животных без воздействия эстрогенных гормонов отсутствует спонтанная активность мышцы матки.

С наступлением беременности у всех видов животных и человека повышается мембранный потенциал покоя. Так, потенциал покоя в клетках миометрия беременной мыши равен 30—80 мв (Goto и соавт.; Goto, Kuriyama, Abe), морской свинки — 32,6 (Woodbury, McIntyre), крысы — 42–67 (West и Landa; Kuriyama, Csapo; Jung), перед родами — 44 (Jung) в клетках миометрия кроликов со стороны плаценты — 60 и вне плаценты — около 45, во время родов — 52 (Goto, Csapo), в клетках миометрия кошки — 29 (Woodbury, McIntyre). В мышечных клетках матки беременной женщины получены значительные колебания показателя мембранного потенциала, что можно объяснить двумя причинами: сроком беременности и физиологическими особенностями матки к моменту проведения исследования и большим различием методик исследования.

По данным Woodbury и McIntyre, мембранный потенциал мышечных клеток человека составляет 21–31 мв, по West и Landa — 42 мв, по Csapo — 90–100 мв, что соответствует показателям потенциала скелетных мышц.

Центры спонтанного возбуждения могут возникать в определенных анатомических отделах матки, которые получили название водителя ритма. При нормальном сокращении матки большая часть авторов склонна считать, что спонтанное возбуждение возникает в левом или в правом трубно-маточном отделе. Сравнительно редко может возникнуть в нижнем сегменте матки. При патологической форме сокращения матки центры возбуждения могут возникать одновременно или последовательно в нескольких отделах, что обусловливает сегментарный характер сокращения, которое клинически проявляется слабостью родов.

Однако Jung считает, что в матке нет локализованного центра возбуждения; он может возникать в любом участке матки и приводить к механической активности весь орган.

Потенциалы действия пикоподобной формы характеризуются быстрым нарастанием электрического потенциала и быстрой деполяризацией. Время, необходимое для максимального напряжения электрической волны ткани небеременной матки крольчихи, после введения эстрогенов равно 9 мсек, для беременной матки крысы — 35–36 мсек, для tenia coli морской свинки — 7 мсек (Holman; Goto, Csapo; Goto, Tamai; Burnstok, Holman). При медленной деполяризации мышечной ткани могут появляться потенциалы действия типа плато. Время плато-потенциала находится в пределах 300–400 мсек для различных гладкомышечных тканей и может быть значительно укорочено введением адреналина и снижением содержания кальция.

Если животному вводить прогестерон, происходит как бы стирание зон — водителей ритма в матке (Marshall). Это явление объясняет биологический смысл одной из сторон действия прогестерона в динамике беременности и эффективного применения его для блокады моторной функции матки в первой половине беременности. Данные изучения взаимоотношения между мембранным потенциалом покоя и потенциалом действия показали, что потенциал действия превышает мембранный потенциал покоя клеток, однако его возникновение находится в прямой зависимости от уровня этого потенциала.

Медленные волны мембранного потенциала не находятся в какой-либо зависимости от потенциала действия. Медленные колебания мембранного потенциала продолжительностью от десятков секунд до нескольких минут свидетельствуют о тоническом состоянии матки и к генерации потенциалов действия отношения не имеют.

По данным Jung, при введении кастрированным животным эстрогенов можно получить мембранный потенциал, равный 75 мв, в то время как у беременных животных он достигает 67,3 мв со стороны плаценты, а во внеплацентарных участках его величина ниже — 64,7 мв. В связи с этим он сделал вывод, что во время беременности часть эстрогенов быстро выводится и не создается условий для проявления действия оптимальных его концентраций.

В настоящее время достоверно установлено, что в основном эстрогены и прогестерон являются регуляторами электрического заряда мембраны посредством изменения ее проницаемости для K⁺ и Na⁺.

Csapo (1956) в своих первых исследованиях пришел к ошибочному выводу, что угнетающее действие прогестерона на моторную функцию миометрия связано со снижением мембранного потенциала ниже уровней, которые вызывают эстрогены. В дальнейшем он установил, что прогестерон не снижает, а повышает потенциал, мембран выше уровней, которые определены для эстрогенов. Потенциалы действия подавляются прогестероном (Jung, 1959, 1962;Daniel, 1960; Marshall и Csapo, 1961; Kuriyama, 1961). Торможение возбуждения мышечных клеток наступает вследствие гиперполяризации мембраны, увеличения и стабилизации потенциала (Goto, Csapo, 1959). На стороне плаценты потенциал всегда выше, чем во внеплацентарных участках, вследствие чего миометрий теряет присущую ему спонтанную возбудимость.

В настоящее время разработаны методы регистрации электрических явлений в матке в эксперименте и клинике. Регистрируют так называемые медленные и пикообразные потенциалы действия. Наиболее совершенным является метод непосредственной регистрации электрических явлений в матке, однако в силу своей сложности он мало распространен. Медленные электрические потенциалы не совпадают с механической активностью матки, быстрые или пикоподобные потенциалы синхронны с механической активностью матки и являются ее отражением.

Электрофизиологическими методами можно успешно регистрировать пиковые потенциалы матки в эксперименте при непосред ственном наложении электродов. Ниже приведены электрогистеро граммы, полученные Лановым И. Д. (1969), по методу Bruchac. На электрогистерограмме (рисунок 1.12) представлена типичная запись пиковых потенциалов. До беременности, независимо от механической активности матки, имеется прямая лента записи пиковых потенциалов. С наступлением беременности, до имплантации плодного яйца, величина пиковых потенциалов остается почти на исходном уровне, однако появляются волнообразные колебания пиковых потенциалов. К 13–15 дням беременности отмечается значительное уменьшение амплитуды и частоты пиковых потенциалов. Ко времени родов и особенно при родах резко повышается амплитуда и частота спонтанных пиковых потенциалов. В послеродовом периоде амплитуда и частота пиковых потенциалов миометрия уменьшаются до исходных уровней.

Рисунок 1.12.

Как видно из приведенных данных, мышца матки находится в состоянии непрерывной электрической активности до и во время беременности, однако характер пиковых потенциалов значительно меняется в зависимости от физиологического состояния животного. Сокращение матки, вызванное введением в ее полость резинового баллончика, вызывает значительное увеличение амплитуды и ритма пиковых потенциалов (рисунок 1.13), которые совпадают по времени.

В настоящее время отрабатывают методики регистрации пиковых потенциалов и механической активности матки в клинике, что даст возможность объективно оценить моторную функцию матки в норме и патологии.

Следует также отметить, что при решении технической стороны метода одновременной регистрации электрических потенциалов мышечных клеток матки и их механической активности возникают значительные трудности, связанные с ограниченной доступностью органа, необходимостью длительного наблюдения при непосредственном контакте датчика с тканями матки (травма, возможность развития инфекции) и возможностью многих помех со стороны соседних органов и плода. Поэтому остаются в полной силе более простые методы регистрации сокращений матки. К ним следует отнести методы наружной гистерографии мембранными и пьезокристаллическими датчиками и баллонными внутриматочными датчиками. Все эти методы дают общие представления о сокращении матки и в силу значительной инертности не могут отражать состояние тонуса определенных участков матки, начальные, предпороговые периоды возбуждения и другие состояния. Не нашли распространения методы регистрации электрических явлений сокращения, методы, которые предусматривают введение игольчатых электродов в матку путем прокола тканей передней брюшной стенки ввиду их опасности.

Рисунок 1.13.

В последние годы получил распространение метод телеметрической регистрации внутриматочного давления, по регистрации параметров которого можно получить представление о тонусе и общей сократительной функции матки (Караш Ю. М., 1970; Давыдов С. Н.,Караш Ю. М., 1971).

В эксперименте (in vivo и in vitro) методы регистрации сокращений хорошо отработаны, хотя интерпретация полученных даннй в силу видовых различий всегда требует определенной осторожности.

Современная электрофизиология располагает методами регистрации электрических потенциалов не только от группы клеток, но и одной клетки, что дает возможность наблюдать одновременно спонтанную сократительную функцию и электрическую активность клеток миометрия при различных физиологических состояниях (кастрация, состояние вне беременности, беременность, роды), а также различных условиях эксперимента (изменение состава электролитов, действие биологически активных соединений). Регистрация электрических явлений производится методом двойного сахарозного мостика (Штемпфли Р., 1963; Артеменко Н. Д. и Шуба М. Ф., 1964) или методом отведения потенциала микроэлектродами. Для электрофизиологических исследований можно использовать миометрий экспериментальных животных, а также женщин, оперированных по соответствующим показаниям (кесарево сечение, гинекологические операции).

Каждая клетка миометрия сохраняет специфические реакции на прямое действие многих биологически активных веществ и может служить физиологической моделью в решении многих поставленных задач. Однако в целостном организме мы часто наблюдаем опосредованное действие через другие органы и функциональные системы. В интерпретации фактов необходимо также учитывать видовые различия. Используя миометрий женщин для электрофизиологических исследований, полученные данные должны дополнять клиническими наблюдениями для получения достоверных обобщений.