Практическая работа № 5

ТЕМА: Потенциал действия. Распространение нервного импульса по нервным волокнам и через синапсы. Основные физиологические свойства мышечных тканей. Механизм и энергетика мышечного сокращения. Работа и утомление мышц. Функциональные особенности гладких мышц

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить потенциал действия, распространение нервного импульса по нервным волокнам и через синапсы, основные физиологические свойства мышечных тканей, механизм и энергетику мышечного сокращения, работу и утомление мышц, функциональные особенности гладких мышц

Теоретический обзор:

Потенциал действия (ПД). Под влиянием раздражения проницаемость клеточной мембраны для Na+ повышается в сотни раз. Поскольку Na+ во внеклеточной жидкости много больше, чем в клетке, то они быстро устремляются в клетку (по градиенту концентрации) и происходит перезарядка (деполяризация) клеточной мембраны: внутренняя ее поверхность заряжается положительно, а наружная отрицательно. Затем значительно повышается проницаемость мембраны для К+. Они начинают перемещаться из клетки во внеклеточную жидкость, и вновь восстанавливают первоначальный заряд мембраны. Пикообразное колебание потенциала, возникающее в результате кратковременной деполяризации мембраны и последующее восстановление ее исходного заряда называется ПД. Длительность ПД в разных клетках сильно варьирует. Так, в нервной клетке длительность ПД составляет 1-5мс., в сердце лягушки – 0,5-0,8с.

Проведение возбуждения. Когда в одном участке нервной клетки, нервного или мышечного волокна возникает возбуждение – ПД, между возбужденным и соседним невозбужденным участком возникает разность потенциалов. Она является причиной появления круговых (локальных) токов. Внутри клетки ток идет от возбужденного участка к участку покоя, снаружи от участка покоя к возбужденному. Проходя через участок покоя круговой ток раздражает его и вызывает ПД. В участке, который ранее был возбужден, происходит восстановление потенциала покоя. Данный процесс, многократно повторяется и обусловливает распространение импульсов возбуждения. Скорость проведения возбуждения по скелетным мышцам составляет 12-15 м/с., по гладким – 1-18 см/с. В безмякотных нервных волокнах – 0,5-3 м/с. В миелинизированных нервных волокнах ПД возникает только в перехватах Ранвье, поэтому скорость проведения возбуждения самая высокая и достигает 120 м/с.

У высших животных различают три вида мышечных тканей: скелетную, сердечную и гладкую.

Скелетная мышца состоит из группы мышечных пучков, каждый из них составлен из тысяч мышечных волокн, которые представляют собой клетки цилиндрической формы длиной до 12 см. и диаметром 10-100 мк. Каждое волокно окружено оболочкой – сакролемой и содержит тонкие нити – миофибриллы. Поперечные мембраны делят каждую миофибриллу на отдельные участки – саркомеры. Сократимым веществом мышечного волокна являются миофибриллы, состоящие из множества (около 2500) тонких и толстых белковых нитей – протофибрилл. Толстые протофибриллы образованы из белка миозина, тонкие – из актина. Нити актина прикреплены к мембране сакромера, они образуют светлые участки миофибриллы. В темных участках находятся нити миозина. Актиновые нити частично входят своими концами в промежутки между миозиновыми нитями. Нити актина и миозина соединяются между собой многочисленными поперечными мостиками, которые образованы скрученными в спираль отростками – мостиками миозиновой нити (актомиозиновый комплекс). Чередование нитей в миофибрилле обусловливает ее поперечную исчерченность.

Свойства скелетных мышц. Возбудимость скелетных мышц меньше возбудимости нервов. Проведение возбуждения в мышцах происходит изолировано, т.е. не переходит с одного мышечного волокна на другое. Нервные окончания расположены в середине каждого мышечного волокна, поэтому возбуждение распространяется в обе стороны со скоростью 4-15 м/с.

Скелетная мышца является упругим телом. Если к мышце подвесить груз, то она растягивается, это свойство называется растяжимостью. Эластичностью мышцы называется возвращение мышцы к первоначальной своей длине после удаления груза. Пластичностью мышцы называется свойство сохранять удлиненную форму после удаления груза, вызвавшего ее растяжение.

Мышечное сокращение. Различают 3 периода: от раздражения до начала сокращения; сокращение и период расслабления. В латентный период в мышце происходят процессы высвобождения энергии для мышечного сокращения. У большинства млекопитающих длительность одиночного сокращения лежит в пределах 0,04-0,1с. Если к мышце поступает несколько частых импульсов возбуждения, наступает длительное сокращение мышцы, которое называется тетаническим сокращением, или тетанусом. В зависимости от частоты стимуляции тетанус может быть зубчатым или гладким. Зубчатый тетанус наблюдается при такой частоте раздражения, когда импульс действует на мышцу в фазе расслабления. При большей частоте стимуляции мышца не успевает расслабляться и получается гладкий тетанус. В естественных условиях в организме животных мышцы сокращаются по типу гладкого тетануса. Это происходит потому, что частота стимуляции мышцы нервом значительно выше, способности мышечной ткани усваивать такой ритм.

Роль АТФ и других макроэргов в мышечном сокращении. Сокращение мышцы осуществляется за счет энергии химических процессов, которые совершаются в 2 фазы: анаэробную – без участия О2 и аэробную – с его участием. В анаэробной фазе происходит распад АТФ на АДФ и H3PO4, при этом высвобождается большое количество энергии, за счет которой и сокращаются мышцы (8-10 ккал., или 33,5-41,9 кдж. на 1 моль АТФ). Длительная мышечная работа невозможна без ресинтеза АТФ. Распад креатинфосфата на креатин и H3PO4 служит источником энергии для ресинтеза АТФ из АДФ и даже АМФ. Фосфорилирование креатина за счет АТФ с образованием креатинфосфата осуществляется в процессе гликолиза и тканевого дыхания. Запасы креатинфосфата невелики, но они постоянно пополняются за счет энергии распада гексозофосфата на молочную кислоту и H3PO4. Образующаяся молочная кислота в аэробную фазу окисляется до CO2 и воды. Однако окисляется не вся молочная кислота, а только 1/5 часть. Остальные 4/5 молочной кислоты синтезируются снова в гликоген.

После сокращения, вызванного раздражением с нерва или электрическим током, мышца вскоре переходит в расслабленное состояние, хотя содержание АТФ в мышечных волокнах почти не меняется. Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться лишь при наличии Ca2+. Наибольшая сократительная активность наблюдается при концентрации Ca2+ около 10-6- 10-7 моль. При изменении содержания Ca2+ до 10-7 моль или ниже мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ. По современным представлениям, в покоящейся мышце концентрация Ca2+ поддерживается ниже пороговой величины вследствие их связывания трубочками и пузырьками саркоплазматической сети. Связывание – это не простая адсорбция, а активный физиологический процесс, осуществляемый за счет энергии расщепляющейся АТФ в присутствии ионов Mg. Этот механизм получил название Ca-насоса. Т.о. пребывание живой мышцы в расслабленном состоянии (при наличии в ней достаточного количества АТФ) – результат снижения под действием Ca-насоса концентрации Ca2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже предела, при котором еще возможны проявления АТФ-азной активности и сократимости актомиозиозиновых структур волокна. Сокращение волокна при раздражении с нерва – результат внезапного изменения проницаемости и, как следствие, выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети в т.н. Т-системы Ca2+ в межфибриллярное пространство. Поперечные трубочки Т-системы, расположенные на уровне Z-дисков и содержащие Ca2+, сообщаются с поверхностной мембраной волокна; поэтому волна деполяризации быстро распространяется по системе трубочек и достигает глубоко расположенных участков волокна. После затухания нервного импульса в результате действия Са-насоса концентрация Ca2+ в миофибриллярном пространстве быстро снижается до пороговой величины и мышца переходит в исходное расслабленное состояние, пока новый импульс не вызовет повторения всего цикла. Потерю актомиозином способности расщеплять АТФ при концентрации Ca2+ ниже 10-7моль связывают с наличием в системе белка тропонина. Было доказано, что при его отсутствии актомиозин реагирует с АТФ без Ca2+.

Работа и утомление мышц. При сокращении мышца укорачивается, тем самым, совершая работу. Утомлением называется временное понижение или прекращение работы органа или целого организма в результате их деятельности. В утомленной мышце понижается возбудимость, лабильность и величина сокращения. При напряженной мышечной работе, когда кардиореспираторная система не может в достаточной мере обеспечить мышцы О2 возникает кислородное голодание – гипоксия. В этом случае утомление развивается значительно раньше. Оно сопровождается снижением содержания гликогена и накоплением молочной кислоты.

В организме утомление в первую очередь наступает в нервных центрах и, прежде всего коры больших полушарий. В опытах на нервно-мышечном препарате Введенский установил, что прежде всего утомляются синапсы в связи с их низкой лабильностью. Разносимые кровью продукты метаболизма работающих мышц, могут ингибировать деятельность нервных центров в зависимости от их концентрации. Сеченов доказал, что быстрое восстановление работоспособности утомленных мышц наступает не при полном их покое, а при работе других, до этого не сокращавшихся мышц. Импульсы от вновь вовлеченных в работу мышц повышает возбудимость нервных центров. А возбуждение одних нервных центров снижает и даже снимает утомление других. Утомление зависит от состояния симпатической нервной системы и желез внутренней секреции. Утомленная мышца вновь начинает сокращаться при раздражении симпатического нерва или введении адреналина, активирующих обменные процессы.

Задерживает наступление утомления мышц тренировка (систематическая усиленная работа мышц). При тренировке, работающие мышцы увеличивают массу и объем. В результате утолщения мышечных волокн повышается содержание гликогена, АТФ и креатинфосфата, ускоряются восстановительные процессы, совершенствуется регуляторная функция ЦНС. Длительное бездействие мышц ведет к их атрофии. Вот почему важно давать определенную нагрузку животным, как в течение дня, так и в течение всей жизни.

Понятие мышечного тонуса. Скелетные мышцы в покое расслабляются не полностью, а находятся в некотором напряжении, т.е. тонусе. Тонус скелетных мышц играет важную роль в поддержании определенного положения тела в пространстве и в деятельности двигательного аппарата.

В мышцах млекопитающих установлено существование «медленных» мышечных волокн (к ним принадлежат «красные» – содержащие дыхательный пигмент миоглобин) и «быстрые» – не имеющие его («белые»). Они различаются скоростью проведения волны сокращения и ее продолжительностью. В «медленных» волокнах длительность сокращения в 5 раз меньше, а скорость проведения в 2 раза меньше чем в «быстрых» волокнах. Почти все скелетные мышцы относятся к смешанному типу. В поперечнополосатых мышцах установлено существование т.н. чисто тонических волокн, они участвуют в поддержании «неутомляемого» мышечного тонуса. Тоническим сокращением называют медленно развивающееся слитное сокращение, способное длительно поддерживаться без значительных энергетических затрат. Тонические волокна реагируют на нервный импульс локально (в месте раздражения). Тем не менее, благодаря большому числу концевых двигательных бляшек тоническое волокно может возбуждаться и сокращаться все целиком. Сокращение таких волокон развивается настолько медленно, что уже при весьма малых частотах раздражения отдельные волны сокращения накладываются друг на друга и сливаются в длительно поддерживающееся укорочение.

Для характеристики сократительной функции мышцы пользуются понятием «абсолютной силы», которая является величиной пропорциональной сечению мышцы, направленной перпендикулярно ее волокнам и выражается в кг/см2. Например, абсолютная сила двуглавой мышцы человека равна 11,4, икроножной – 5,9 кг/см2.

Гладкие мышцы. Гладкие мышцы внутренних органов по характеру иннервации, возбуждения и сокращения существенно отличаются от скелетных. Благодаря боковым отросткам, клетки группируются в длинные пучки. Они, в свою очередь, при помощи тяжей соединяются друг с другом, обеспечивая деятельность мышцы как единой системы. Сократительный аппарат гладкой мышцы состоит из нитей актина и прикрепленных к ним коротким отросткам миозиновых нитей, называемых димерами.

Волны возбуждения и сокращения в гладких мышцах протекают в очень медленном темпе. Природа тонуса гладких мышц схожа с таковой в скелетных мышцах, но его возникновение происходит при еще более редких раздражениях. Возбуждение распространяется со скоростью от 1 см/сек. в кишечнике. До 18 см/сек. в матке. Одиночное сокращение гладкой мышцы может длиться несколько десятков секунд (мышцы желудка лягушки – 60-80 сек., кролика – 10-20 сек.). Т.е. тетанус наступает при редкой стимуляции.

Кроме того, гладким мышцам свойственен автоматизм, т.е. деятельность, не связанная с поступлением нервных импульсов из ЦНС. Способностью к автоматизму обладают не только нервные клетки, имеющиеся в гладких мышцах, но сами гладкомышечные клетки. Особенно отчетливо это проявляется в сфинктерах полых органов, в стенках кровеносных сосудов. Своеобразие сократительной функции гладких мышц позвоночных животных определяется не только особенностями их иннервации и гистологического строения, но и спецификой химического состава: более низким содержанием актомиозина, макроэргических соединений, в частности АТФ, низкой АТФ-азной активностью миозина, наличием в них водорастворимой модификации актомиозина – тоноактомиозина и некоторыми другими факторами. Существенное значение для организма имеет способность гладких мышц изменять длину без повышения напряжения. Например, наполнение полых органов: мочевого пузыря, желудка и др. Т.е. в гладких мышцах хорошо выражено свойство пластичности и растяжимости, в отличие от скелетных мышц, где преобладает упругость и эластичность.

Физиология нервных волокон. Отростки нервных клеток образуют нервные волокна. Нерв состоит из множества нервных волокон, окруженных эпиневрием (внешняя оболочка). Каждый нервный пучок окружен соеденительнотканной оболочкой – перинервием, от которой в глубь пучка отходят тонкие прослойки соединительной ткани (эндонервий). Возбуждение по каждому нервному волокну проводится изолированно, т.е. не переходя на соседние. Обмен веществ в нерве очень незначителен. Расход энергии в нерве примерно в миллион раз ниже, чем в мышце. Высокая лабильность нервной ткани и низкая ее «энергоемкость» обусловлены эволюционно – проведение нервных импульсов. Различают нервы чувствительные, их еще называют афферентными, центростремительные и двигательные (эфферентные, центробежные). К скелетным мышцам идут нервы, как правило, миелинезированные, т.к. при этом скорость проведения возбуждения возрастает и, соответственно, раньше достигается ответная реакция. Это важно для выживания животного в экстремальных ситуациях.

Чем больше сечение нервного волокна, тем быстрее распространяется в нем возбуждение, и наоборот, в тонких нервных волокнах скорость проведения возбуждения ниже.

Строение нервно-мышечного синапса и передача возбуждения. Проведение возбуждения с нерва на мышцу и с нерва на нерв осуществляется через специальное структурное образование – синапс (греч. synapsis – соединение, связь). Мы коротко остановимся на строении нервно-мышечного синапса. Окончание аксона двигательного нейрона разветвляется на множество концевых нервных веточек, утративших миелиновую оболочку. Мембрана этих окончаний и является пресинаптической мембраной. Веточка нервного волокна вдавливает мембрану мышечного волокна, которая в этом участке образует сильно складчатую постсинаптическую мембрану, иди двигательную концевую пластинку. ПД достигает пресинаптического окончания, где вызывает выделение из везикул в синаптическую щель высокоактивного химического вещества – медиатора ацетилхолина. Под влиянием последнего на участках постсинаптической мембраны, чувствительной к действию медиатора - холинорецепторах, резко увеличивается проницаемость мембраны, ионы К+ выходят из нее, а Na+ входят. Мембрана начинает пропускать ионы и деполяризуется, вследствие чего не ней возникает разность потенциалов в виде местного возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП), вновь генерирующего распространяющийся импульс - ПД. Действие ацетилхолина выделившегося в синаптическую щель, прекращается под влиянием фермента ацетилхолинэстеразы, гидролизующего его на физиологически малоактивные холин и уксусную кислоту. Медиатор ацетилхолин содержится в окончаниях всех парасимпатических нервов и симпатических нервов потовых желез, норадреналин – в окончаниях симпатических нервов. Действие норадреналина опосредовано специфическими структурами, т.н. адренорецепторами. В ЦНС помимо ацетилхолина и норадреналина роль медиаторов играют дофамин, серотонин, гамма-масляная кислота, глицин, гистамин и др. Существуют и тормозные нейроны, выделяемые ими медиаторы приводят к гиперполяризации постсинаптической мембраны и прекращению распространения возбуждения. Как только деполяризация достигает порогового уровня, между деполяризованной постсинаптической мембраной и соседними внесинаптическими участками мышечного волокна, сохранившим прежний заряд, возникают круговые токи, этот ток вызывает появление ПД, возбуждающего мышечные волокна. Синаптическая передача возбуждения является фактором, лимитирующим его распространение.

Свойства живой ткани отвечать на раздражение возбуждением и передавать его в любые участки тела имеет громадное значение для работы организма как целого (интегративная роль). Все процессы, происходящие в нервной и мышечной ткани при возбуждении необходимо четко знать, т.к. они являются основой, для понимания происходящих в органах функциональных изменений, когда он находится в деятельном состоянии.

Задание: изучить материал теоретического обзора, проанализировать материал, сделать краткий конспект, оформить вывод.

Порядок выполнения работы:

1. Изучение материала теоретического обзора

2. Выполнение задания

3. Оформление вывода

4. Ответ на контрольные вопросы

Содержание отчета:

В результате выполнения работы в рабочей тетради должно быть выполнено задание и оформлен вывод

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятию «потенциал действия» и его краткую характеристику?

2. Назовите три типа мышечных тканей у высших животных?

3. Роль АТФ и других макроэргов в мышечном сокращении?

4. Охарактеризуйте работу и утомление мышц?

5. Дайте определение понятию «мышечный тонус»?

6. Охарактеризуйте физиологию нервных волокон?

7. Дайте характеристику строения нервно – мышечного синапса и передаче возбуждения?