Место биофизики в естествознании

Изучением сложного химического состава мембран, мембранных белков и других веществ занимается биохимия. Основная область приложения биофизики - структурная основа мембраны, а именно двойной слой фосфолипидных молекул.

Молекула фосфолипида лецитина содержит полярную голову и длинный неполярный хвост. В голове фосфолипидной молекулы лецитина имеются две заряженные группы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Два разноименных заряды, равные по абсолютной величине, образуют электрический диполь.

В мембранах содержатся разные фосфолипиды. Например, в мембране эритроцитов их около 20 видов. Варьирует химическая формула полярной головы молекулы. У некоторых фосфолипидов головы кроме двух зарядов противоположного знака, создающих дипольный момент, но оставляющих молекулу в целом нейтральной, несут один некомпенсированный отрицательный заряд, вследствие чего молекула оказывается заряженной отрицательно. Углеводородные хвосты фосфолипидной молекулы содержат приблизительно 20 атомов углерода, в хвосте может быть 1-4 двойных ненасыщенных связей.

Флип-флоп - это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны.

19. Физическое состояние и фазовые переходы липидов в мембранах

Вещество при разной температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например газообразном, жидком, твердом, плазменном. Кристаллическому твердому состоянию вещества могут соответствовать разные фазовые состояния. В качестве примера разных кристаллических модификаций одного и того же вещества - углерода - можно назвать графит и алмаз.

Из средней школы известно, что характерными, отличительными чертами твердого тела являются собственный объем, форма, механическая прочность; жидкости -- собственный объем, отсутствие упругости по отношению к изменению формы и механической прочности, текучесть.

Твердое тело может быть как кристаллическим, так и аморфным, например, стекло. Различие между твердым аморфным телом и жидкостью состоит не в наличии или отсутствии дальнего порядка, а в характере движения частиц. И молекулы жидкости, и молекулы твердого тела совершают колебательные движения около положения равновесия. Через некоторое среднее время - "время оседлой жизни" - происходит перескок молекулы в другое положение равновесия. Различие заключается в том, что время оседлой жизни в жидкости много меньше, чем в твердом теле.

Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а в веществах из "длинных молекул". Могут быть различные жидкокристаллические структуры.

Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует, смектическому жидкокристаллическому состоянию.

Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю. При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое состояние. В гель - состоянии молекулы расположены еще более упорядоченно, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель - фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу. В жидком кристалле за счет теплового движения возможны транс - гош - переходы, хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны.

Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. У некоторых микроорганизмов мембраны находятся при температурах, лишь на немного превышающих температуру фазовых переходов липидов. Мембрана содержит десятки разных липидов, которым соответствуют разные температуры фазового перехода, в том числе близкие к физиологическим. При понижении температуры в мембране происходят фазовые превращения в липидном бислое.

20. Модельные липидные мембраны

Липосомы или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании растворов липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одноламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны, и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды. Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, - многослойные липосомы.

Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов, 6,5 - 7,5 нм, а расстояние между ними - 1,5 - 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 нм до 400 нм и более.

Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из суспензии многослойных липосом, если обработать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25 - 30 нм. Разработаны и другие методы получения однослойных липосом, в том числе диаметром до 400 нм и более.

Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.

Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно заключить внутри липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не токсичны, полностью усваиваются организмом. Способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключенный в липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов. В настоящее время выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся работы по разработке методов липосомальной терапии опухолей, ферментативной недостаточности, атеросклероза. Изучается возможность прицельной доставки лекарственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к пораженному участку сердца).

Для этого к липосоме присоединяется белковая молекула - антитело к соответствующему мембранному антигену органа - мишени. Липосомы с током крови разносятся по всему организму и задерживаются, оказавшись около органа - мишени.

Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов.

Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) - другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пластика, погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида. Растворитель диффундируют из раствора в воду, и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка - торуса у краев отверстия.

Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны, их проницаемости и других научных исследований. С помощью модельных мембран изучают ряд функций биологических мембран, в том числе, барьерную (например, селективность проницаемости - хорошую проницаемость для воды и плохую для ионов). Можно моделировать биологический транспорт, вводя в модельную мембрану молекулы -переносчики.

21. Транспорт веществ через биологические мембраны

Активный транспорт веществ через биологические мембраны имеет огромное значение. За счет активного транспорта в организме создаются градиенты концентраций, градиенты электрических потенциалов, градиенты давления и т.д., поддерживающие жизненные процессы, то есть с точки зрения термодинамики активный перенос удерживает организм в неравновесном состоянии, поддерживает жизнь.

Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки.

Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис. 2.10 слева - наружная мукозная поверхность кожи, справа - внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки: слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево от внутренней к наружной поверхности.

Из уравнения Теорелла, описывающего пассивный транспорт, следует уравнение Уссинга-Теорелла для отношения этих потоков в случае пассивного транспорта:

?_m,вн /j_m.нар=С_нар/С_вн ………

На коже лягушки, разделяющей раствор Рингера, возникает разность потенциалов (ц_вн - ц_нар) - внутренняя сторона кожи имеет положительный потенциал по отношению к наружной. В установке Уссинга имелся блок компенсации напряжения, с помощью которого устанавливалась разность потенциалов на коже лягушки, равная нулю, что контролировалось вольтметром.

Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с наружной и внутренней стороны С_нар = С_вн.

При этих условиях, если бы перенос натрия через кожу лягушки определялся только пассивным транспортом, то согласно уравнению Уссинга-Теорелла потоки ?_m,вн и j_m.нар были равны друг другу:

?_m,вн = j_m.нар

Суммарный поток через мембрану был бы равен нулю.

Однако, обнаружено с помощью амперметра, что в условиях опыта (отсутствие градиентов электрического потенциала и концентрации) через кожу лягушки течет электрический ток I, следовательно происходит односторонний перенос заряженных частиц. Установлено, что ток через кожу течет от внешней среды к внутренней.

Методом меченых атомов было показано, что поток натрия внутрь больше потока наружу ?_m,вн › j_m.нар * Для этого в левый раствор экспериментальной камеры были включены радиоактивные изотопы Nа²², а в правый - Nа²⁴. Изотоп Nа²² распадается с излучением жестких ?-квантов. Распад Nа²⁴ сопровождается мягким ?-излучением. Регистрация ? и ? -излучения показала, что поток Nа²² больше потока Nа²⁴.

Эти экспериментальные данные неопровержимо свидетельствовали о том, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.

22. Электрогенные ионные насосы

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы, работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану.

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе К⁺- Na⁺-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение. В Са²⁺-АТФазе за счет энергии гидролиза АТФ переносятся два иона кальция, а в Н⁺-помпе - два протона.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К⁺- Na⁺- АТФазы (обозначим ее для краткости Е) насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ. Обозначения Е¹ и Е² соответствуют расположению активного центра фермента на внутренней поверхности мембраны соответственно (аденозиндифосфат - АДФ, неорганический фосфат - Р, звездочкой обозначен активный комплекс):

1) Е+АТФ>Е?АТФ,

2) Е?АТФ+3Na>[Е?АТФ]? Na₃,

3) [Е?АТФ]? Na₃>[Е¹ ? Р]? Na₃+АДФ,

4) [Е¹ ? Р]? Na₃>[Е² ? Р]? Na₃,

5) [Е² ? Р]? Na₃+2К>[Е² ? Р]? К₂+3Na,

6) [Е² ? Р]? К₂>[Е¹ ? Р]? К₂,

7) [Е¹ ? Р]? К²₂>Е+Р+2К

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются: 1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния); 2) связывание комплексом трех ионов натрия; 3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата; 4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны; 5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны; 6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки и 7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р). Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

23. Вторичный активный транспорт ионов

Помимо ионных насосов, рассмотренных выше, известны сходные системы, в которых накопление веществ сопряжено не с гидролизом АТФ, а с работой окислительно-восстановительных ферментов или фотосинтезом. Транспорт веществ в этом случае является вторичным, опосредованным мембранным потенциалом и/и л и градиентом концентрации ионов при наличии в мембране специфических переносчиков. Такой механизм переноса получил название вторичного активного транспорта. Наиболее детально этот механизм рассмотрен Питером Митчелом (1966 г.) в хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. В плазматических и субклеточных мембранах живых клеток возможно одновременное функционирование первичного и вторичного активного транспорта. Примером может служить внутренняя мембрана митохондрий. Ингибирование АТФазы в ней не лишает частицу способности накапливать вещества за счет вторичного активного транспорта. Такой способ накопления особенно важен для тех метаболитов, насосы для которых отсутствуют (сахара, аминокислоты).

В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схемы вторичного активного транспорта. Для простоты рассмотрен транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчиков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенциал и/или градиент концентрации одного из ионов. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизированных митохондриях.

Встречный перенос ионов с участием одноместной молекулы-переносчика получил название антипорта. Предполагается при этом, что молекула-переносчик образует прочный комплекс с каждым из переносимых ионов. Перенос осуществляется в два этапа: сначала один ион пересекает мембрану слева направо, затем второй ион - в обратном направлении/ Мембранный потенциал при этом не меняется. Что же является движущей силой этого процесса? Очевидно, разность концентраций одного из переносимых ионов. Если исходно разность концентрации второго иона отсутствовала, то результатом переноса станет накопление второго иона за счет уменьшения разности концентраций первого. Классическим примером антипорта служит перенос через клеточную мембрану ионов калия и водорода с участием молекулы антибиотика нигерицина.

Совместный однонаправленный перенос ионов с участием двухместного переносчика называется симпортом. Предполагается, что в мембране могут находиться две электронейтральные частицы: переносчик в комплексе с катионом и анионом и пустой переносчик. Поскольку мембранный потенциал в такой схеме переноса не изменяется, то причиной переноса может быть разность концентраций одного из ионов. Считается, что по схеме симпорта осуществляется накопление клетками аминокислот. Калий-натриевый насос создает начальный градиент концентрации ионов натрия, которые затем по схеме симпорта способствуют накоплению аминокислот. Из схемы симпорта следует, что этот процесс должен сопровождаться значительным смещением осмотического равновесия, поскольку в одном цикле через мембрану переносятся две частицы в одном направлении.

В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы.

Такое обилие систем переноса на первый взгляд кажется излишним, ведь работа только ионных насосов позволяет обеспечить характерные особенности биологического транспорта: высокую избирательность, перенос веществ против сил диффузии и электрического поля. Парадокс заключается, однако, в том, что количество потоков, подлежащих регулированию, бесконечно велико, в то время как насосов всего три (см. рис. 2.11), В этом случае особое значение приобретают механизмы ионного сопряжения, получившие название вторичного активного транспорта, в которых важную роль играют диффузные процессы. Таким образом, сочетание активного транспорта веществ с явлениями диффузионного переноса в клеточной мембране -та основа, которая обеспечивает жизнедеятельность клетки.

24. Строение и функции ионных каналов

В ответ на деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. В настоящее время установлены многие типы каналов для различных ионов (табл. 1).

Таблица 1. Важнейшие ионные каналы и ионные токи возбудимых клеток

Тип канала	Функция	Ток	Блокатор канала
Калиевый (в покое)	Генерация потенциала покоя	1К+ (утечка)	ТЭА
Натриевый	Генерация потенциала действия	1Ма+	ТТХ
Кальциевый	Генерация медленных потенциалов	1С,2+	0-600, верапамил
Калиевый (задержанное вы прямление)	Обеспечение реполяризации	1К+ (задержка)	ТЭА
Калиевый каль ций-активируемый	Ограничение деполяризации, обусловленной током Са2+	1к+Са2+	ТЭА

Примечание. ТЭА -- тетраэтиламмоний; ТТХ -- тетродотоксин.

Ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость.

Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала.

Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натриевого канала. В состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Nа⁺ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия m-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро. Канал пропускает всего 6000 ионов за 1 мс. При этом весьма существенный натриевый ток, который проходит через мембраны во время возбуждения, представляет собой сумму тысяч одиночных токов.

Свойство проводимости различных каналов неодинаково. В частности, для калиевых каналов процесс инактивации, как для натриевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальций зависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

25. Потенциал покоя (ПП, мембранный потенциал покоя)

У живых клеток в покое между внутренним содержимым клетки и наружным раствором существует разность потенциалов (ПП) порядка 60-90мв, которая локализована на поверхностной мембране. Внутренняя сторона мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной. ПП обусловлен избирательной проницаемостью покоящейся мембраны для ионов К⁺ (Ю. Бернштейн, 1902, 1912; А. Ходжкин и Б. Катц, 1947).

Концентрация К⁺ в протоплазме примерно в 50 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, поэтому, диффундируя из клетки, ионы выносят на наружную сторону мембраны положительные заряды, при этом внутренняя сторона мембраны, практически не проницаемой для крупных органических анионов, приобретает отрицательный потенциал. Поскольку проницаемость мембраны в покое для Na⁺ примерно в 100 раз ниже, чем для К⁺, диффузия натрия из внеклеточной жидкости (где он является основным катионом) в протоплазму мала и лишь незначительно снижает ПП, обусловленный ионами К⁺. В скелетных мышечных волокнах в возникновении потенциала покоя важную роль играют также ионы Cl^-, диффундирующие внутрь клетки. Следствием ПП является ток покоя, регистрируемый между поврежденным и интактным участками нерва или мышцы при приложении отводящих электродов. Мембраны нервных и мышечных клеток (волокон) способны изменять ионную проницаемость в ответ на сдвиги мембранного потенциала.

При увеличении ПП (гиперполяризация мембраны) проницаемость поверхностных клеточных мембран для Na⁺ и К⁺ падает, а при уменьшении ПП (деполяризация) она возрастает, причём скорость изменений проницаемости для Na⁺ значительно превышает скорость увеличения проницаемости мембраны для К⁺.

Уравнение Гольдмана

26. Потенциал действия (ПД)

Все раздражители, действующие на клетку, вызывают в первую очередь снижение ПП; когда оно достигает критического значения (порога), возникает активный распространяющийся ответ - ПД. Во время восходящей фазы ПД кратковременно извращается потенциал на мембране: её внутренняя сторона, заряженная в покое электроотрицательно, приобретает в это время положительный потенциал. Достигнув вершины, ПД начинает падать (нисходящая фаза ПД), и потенциал на мембране возвращается к уровню, близкому к исходному, - ПП.



Рис. 1

Полное восстановление ПП происходит только после окончания следовых колебаний потенциала - следовой деполяризации или гиперполяризации, длительность которых обычно значительно превосходит продолжительность пика ПД. Согласно мембранной теории, деполяризация мембраны, вызванная действием раздражителя, приводит к усилению потока Na⁺внутрь клетки, что уменьшает отрицательный потенциал внутренней стороны мембраны - усиливает её деполяризацию. Это, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение проницаемости для Na⁺ и новое усиление деполяризации и т.д. В результате такого взрывного кругового процесса, т. н. регенеративной деполяризации, происходит извращение мембранного потенциала, характерное для ПД. Повышение проницаемости для Na⁺ очень кратковременно и сменяется её падением , а следовательно, уменьшением потока Na⁺внутрь клетки. Проницаемость для К⁺, в отличие от проницаемости для Na⁺, продолжает увеличиваться, что приводит к усилению потока К⁺из клетки. В результате этих изменений ПД начинает падать, что ведёт к восстановлению ПП. Таков механизм генерации ПД в большинстве возбудимых тканей.

Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли. Одно из уравнений Ходжкина-Хаксли имеет вид:



где I_м - ток через мембрану, С_м - емкость мембраны, ?I_i - сумма ионных токов через мембрану.

27. Электрокардиограмма (ЭКГ)

ЭКГ отражает процессы возбуждения в сердечной мышцезарождение возбуждения и его распространение. Охват возбуждением огромного количества клеток рабочего миокарда вызывает появление отрицательного заряда на поверхности этих клеток. Сердце становится электрогенератором. Ткани сердца обладают сравнительно высокой электропроводностью, что позволяет регистрировать электрические потенциалы сердца с поверхности тела. Исследование электрической активности сердца называется электрокардиографией, а регистрируемая с ее помощью кривая называется электрокардиограммой (ЭКГ).

Электрокардиограмма - это запись колебаний потенциалов, возникающих на поверхности возбудимой ткани или в окружающей среде при распространении волны возбуждения по сердцу. Метод исследования электрокардиограммы называется электрокардиографией. Типичная ЭКГ позвоночных животных и человека состоит из пяти положительных и отрицательных колебаний - зубцов, соответствующих циклу сердечной деятельности. Их обозначают латинскими буквами от Р до Т. Промежутки между зубцами называют сегментами, совокупность зубца и сегмента - интервалом. Зубцы, направленные вверх называются положительными - Р, R и Т. Зубцы, направленные вниз, называются отрицательными - Q и S. Последние в нормальной ЭКГ могут отсутствовать (рис. 2).



Рис. 2. Электрокардиограмма (схема зубцов и интервалов)

Зубец -Р - отражает возбуждение предсердий; интервал Р-Q - распространении е возбуждения от предсердий к желудочкам; Q-T (QRST) - длина систолы желудочков; зубец Т - процесс реполяризации желудочков

Зубец Р - отражает возбуждение предсердий, которое возникает в СА- узле. Его продолжительность или ширина в норме не превышает 0,06-0,09 секунд, а высота колеблется в пределах 1-2 мм. В третьем стандартном отведении зубец Р часто бывает низким, а иногда и отрицательным. Легкое расщепление зубца без его уширения нередко имеет место и в норме (чаще во 2 и 3 отведениях).

Зубец Q - отражает время проведения возбуждения на перегородках желудочков, амплитуда Q не велика, продолжительность этого зубца не превышает 0,03 секунды.

Зубец R - отражает проведение возбуждения до верхушки желудочков в состоянии нормы. Этот зубец наиболее высокий во втором стандартном отведении.

Зубец S - отражает проведение возбуждения до основания сердца.

Зубец Т - сигнализирует об окончании процесса возбуждения, когда сердечная мышца сокращается и переходит в состояние покоя.

Иногда на ЭКГ регистрируется небольшой положительный зубец U, происхождение которого до сих пор неизвестно.

Интервал Р-Q соответствует проведению возбуждения через предсердно-желудочковый узел. Интервал Р-Q от 0,12 до 0,18 секунд. У детей интервал Р-Q короче и колеблется в пределах 0,10-0,16 секунд. В норме длина Р-Q тем меньше, чем чаще ритм.

Комплекс QRS - образуется при прохождении волны возбуждения через желудочки. Продолжительность этого комплекса в норме не превышает 0,06-0,1 секунду. У взрослых людей в стандартных отведениях высота комплекса QRS в норме не должна превышать 20 мм, но и быть не ниже 5 мм. Комплекс QRS появляется во время рабочего возбуждения мышцы желудочков. Хотя и нет определенного нижнего предела продолжительности комплекса QRS, практически он не бывает короче 0,06 секунд. Ширина интервала QRS с возрастом постепенно увеличивается, достигая к 15 годам ширины, обычной для взрослых.

Отрезок QRST (Q-T) отражает длину систолы желудочков. Его длительность изменяется в зависимости от сердечного ритма. Поэтому можно определять не только абсолютную величину Q-T, но и соотношение между длительностью систолы и продолжительностью сердечного цикла. Интервал QRST колеблется от 0,32 до 0,36 секунд. По Базетту эта величина равна у мужчин - 0,37 секунд, у женщин - 0,40 секунд, а для обоих полов - 0,39 секунд.

Интервал S-T отражает сокращение желудочков и равен 0,2 секунды.

Интервал R-R - это сердечный цикл, включающий сокращение и расслабление желудочков. Он колеблется в пределах 0,8 секунд.

28. Регистрация ЭКГ

Вследствие положения сердца в грудной клетке под углом 40 градусов и своеобразной формы тела человека, электрические силовые линии, возникающие между возбужденными и невозбужденными участками сердца, распределяются по поверхности сердца не равномерно (рис. 72 А). По этой причине в зависимости от места приложения электродов форма ЭКГ и вольтаж ее зубцов будут различны. Для регистрации ЭКГ производят отведения от конечностей и поверхности грудной клетки.

Специальное расположение электродов называется отведением.

Регистрация электрокардиограммы производится в стандартных и грудных отведениях, а также в специальных (усиленных) отведениях от конечностей.

При биполярных отведениях по Эйнтховену точки, от которых отводят потенциалы, совпадают с вершинами равностороннего треугольника, стороны которого и представляют собой электродвижущую силу сердца, а значит, и высоту зубцов ЭКГ. Высота зубца R во втором стандартном отведении в нормограмме выше, чем в первом и, особенно в третьем отведении.

Для снятия стандартных отведений (по Эйнтховену) электроды накладываются на дистальные отделы конечностей. Стандартные отведения от конечностей регистрируют при следующем попарном подключении электродов:

1 отведение - левая рука (+) и правая рука (-);

2 отведение - левая нога (+) и правая рука (-);

3 отведение - левая нога (+) и левая рука (-). На правую ногу устанавливают заземленный электрод.

Электрическая активность головного мозга. ЭЭГ

Всю биоэлектрическую активность головного мозга можно разделить на 2 группы: импульсная активность и суммарная медленная активность (Гусельников, 1976).

Импульсная (спайковая) активность представляет собой форму деятельности аксонов и тел нервных клеток и связана с бездекрементной передачей возбуждения от одной нервной клетки к другой, от рецепторов к центральным отделам нервной системы, от центральной нервной системы к исполнительным органам. Характерными особенностями спайков (потенциалов действия) являются их высокая амплитуда (порядка 50 - 125 мВ), небольшая длительность (порядка 1 - 2 мс) и распространение по аксонам с большой скоростью.

Электрическая активность, регистрируемая с поверхности головы (ЭЭГ), определяется алгебраической суммой возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов (ВПСП и ТПСП, соответственно) сомы и дендритов нервных клеток, а также, видимо, сдвигами метаболических процессов мозга и активностью глиальных элементов (Гусельников, 1976). ВПСП и ТПСП отличаются декрементным распространением на очень короткие расстояния по соседним участкам дендритов и сомы, сравнительно малой амплитудой и большой длительностью (ВПСП - до 80 мс, ТПСП - до 100 - 200 мс). В отличие от спайка, постсинаптические потенциалы возникают в большинстве случаев независимо от уровня поляризации мембраны и имеют различную амплитуду в зависимости от объема афферентной посылки, пришедшей к нейрону. Все эти свойства обеспечивают возможность суммации градуальных потенциалов во времени и пространстве (Костюк, Шаповалов, 1964), которая, в свою очередь определяет уровень деполяризации мембраны нейрона и, соответственно, вероятность генерации нейроном спайка, т.е. передачи накопленной информации другим нейронам (Гусельников, 1976; Зенков, 1996).

В настоящее время считается, что морфологические элементы синхронизации ЭЭГ представлены не отдельными нервными клетками, а группой функционально объединенных нервных клеток, формирующих одну колонку в коре. Колонки состоят из 1-2 -х пирамидных нейронов, 1-2-х звёздчатых клеток, клеток глии и кровеносного сосуда. Такие микроструктуры объединяются по функциональным свойствам в макроструктуры или нейронные сети, которые могут генерировать колебания различных диапазонов ЭЭГ (Гриндель, 2001).

Таким образом, кривая ЭЭГ отражает сложную динамику деятельности различных генераторов, которая зависит от динамических соотношении афферентных корковых систем и внутрикорковых процессов (Гусельников, 1976). В электроэнцефалограмме в той или иной мере отражаются кратковременные вариации состояния мозга и его отдельных систем, а также динамика определенных физиологических коррелят быстро протекающих психических процессов (Lehmann, 1980; Pfurtscheller, 1997).

По внешнему характеру электрическую активность мозга (ЭЭГ) можно разделить на 3 группы:

1. Нерегулярная активность, состоящая из волн различной длительности и амплитуды.

2. Регулярная, или ритмическая, активность, состоящая из серии волн с незначительной вариацией их частоты.

3. Пароксизмальная активность, возникающая в виде определенных групп волн и комплексов. (Гусельников, 1976).

Методика ЭЭГ. Ритмы ЭЭГ

Изучение электроэнцефалограммы у человека, записанной при различном функциональном состоянии мозга (и организма в целом) как в норме, так и при различных патологических нарушениях, показало, что в электроэнцефалограмме могут встречаться следующие ритмы электрических колебаний: альфа, бета, тета и дельта (А.И.Лакомкин, 1977).

Альфа-активность - один из важнейших компонентов ЭЭГ в виде волн с частотой 8-13 Герц. Их амплитуда может варьировать в широких пределах - от 10 до 100 мкВ и более, чаще имеет значение 30-50-70 мкВ. Выражена, преимущественно в задних (затылочных и теменных) областях мозга при закрытых глазах и максимально возможном расслаблении мышц. Блокируется при открывании глаз, при световых и звуковых раздражениях при умственной нагрузке. Форма волн чаще гладкая. Иногда слегка или резко заостренная.

Частота альфа-ритма регулярна при сбалансированном влиянии на кору систем регуляции, составляющих неспецифический комплекс. Как усиление, так и ослабление регулирующих посылок вызывает нерегулярность (разброс частоты) альфа-ритма.

Бета-активность. Принято различать бета-активность низкой частоты (в₁) 14-22 Гц, и бета-активность высокой частоты (в₂) более 22 Гц. Колебания в₂ - это обязательный компонент ЭЭГ, исчезающий лишь при смерти мозга. В норме они имеют малую амплитуду (5-10-15 мкВ), лучше выражены в передних (лобной, центральной) областях мозга. Показана непосредственная связь в₂ с деятельность ретикулярной формации ствола мозга (Могилевский А.Я., 1971). Колебания в₁ имеют сложный генез. Для нормы они не характерны (Жирмунская Е.А., 1989).

Дельта - активность - колебания биопотенциалов с частотой 1-3 Гц, имеющие самую разную амплитуду и регистрируемые на ЭЭГ при самых разных состояниях. В норме - во время физиологического сна. В патологии - как наиболее характерный признак нарушения функционального состояния мозга. Местными факторами, вызывающими изменения деятельности корковых нейронов с появлением дельта-активности являются, главным образом, гипоксия, нарушения метаболизма и дисциркуляторные расстройства в системе кровообращения.

Тета - активность - колебания биопотенциалов с частотой 4-7 Гц, имеющие самую разную амплитуду. Диффузно выраженная тета-активность отмечается у больных с клиническими признаками поражения области мозга. В лобных отделах тета-активность обнаруживается при патологии в области задне-черепной ямки с воздействием на мозжечок.

Таблица 2. Типы волн ЭЭГ

Волны ЭЭГ	Частота (кол./сек)	Амплитуда (м сек)	Длительность мкВ
Дельта (Д)	0,5 - 3	20 - 300	260 - 300
Тета (?)	4 - 7	20 - 200	250 - 130
Альфа (б)	8 - 13	10 - 150	125 - 75
Бета (в)	14 - 30	5 - 30	75 - 40
Гамма (г)	30 - 60	5 - 15	40 - 20

29. Реологические свойства крови

Реология -- это наука о деформациях и текучести вещества. Под реологией крови (гемореологией) понимают изучение биофизических особенностей крови как вязкой жидкости.

Вязкость (внутреннее трение) жидкости -- свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой. Вязкость жидкости обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. Наличие вязкости приводит к диссипации энергии внешнего источника, вызывающего движение жидкости, и переходу ее в теплоту. Жидкость без вязкости (так называемая идеальная жидкость) является абстракцией. Всем реальным жидкостям присуща вязкость.

Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687 г.) -- формула Ньютона:

(1)

где F [Н] -- сила внутреннего трения (вязкости), возникающая между слоями жидкости при сдвиге их относительно друг друга; µ [Па^.с] -- коэффициент динамической вязкости жидкости, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев; dV /dZ [1/с] -- градиент скорости, показывающий, на сколько изменяется скорость V при изменении на единицу расстояния в направлении Z при переходе от слоя к слою, иначе-- скорость сдвига; S [м²] -- площадь соприкасающихся слоев.

Сила внутреннего трения тормозит более быстрые слои и ускоряет более медленные слои. Наряду с коэффициентом динамической вязкости рассматривают так называемый коэффициент кинематической вязкости

х= µ/с(с-- плотность жидкости).

Жидкости делятся по вязким свойствам на два вида: ньютоновские и неньютоновские

Ньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит только от ее природы и температуры. Для ньютоновских жидкостей сила вязкости прямо пропорциональна градиенту скорости. Для них непосредственно справедлива формула Ньютона, коэффициент вязкости в которой является постоянным параметром, не зависящим от условий течения жидкости.

Неньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит не только от природы вещества и температуры, но также и от условий течения жидкости, в частности от градиента скорости. Коэффициент вязкости в этом случае не является константой вещества. При этом вязкость жидкости характеризуют условным коэффициентом вязкости, который относится к определенным условиям течения жидкости (например, давление, скорость). Зависимость силы вязкости от градиента скорости становится нелинейной:

(1, а)

где n характеризует механические свойства при данных условиях течения. Примером неньютоновских жидкостей являются суспензии. Если имеется жидкость, в которой равномерно распределены твердые невзаимодействующие частицы, то такую среду можно рассматривать как однородную. Свойства такой среды в первую очередь зависят от µ жидкости. Система же в целом будет обладать уже другой, большей вязкостью µ?, зависящей от формы и концентрации частиц. Для случая малых концентраций частиц С справедлива формула:

(2)

где К -- геометрический фактор -- коэффициент, зависящий от геометрии частиц (их формы, размеров). Для сферических частиц К вычисляется по формуле:

(2, а)

где R -- радиус шара.

Для эллипсоидов К увеличивается и определяется значениями его полуосей и их соотношениями. Если структура частиц изменится (например, при изменении условий течения), то и коэффициент К, а следовательно, и вязкость такой суспензии µ' также изменится. Подобная суспензия представляет собой неньютоновскую жидкость. Увеличение вязкости всей системы связано с тем, что работа внешней силы при течении суспензий затрачивается не только на преодоление истинной (неньютоновской) вязкости, обусловленной межмолекулярным взаимодействием в жидкости, но и на преодоление взаимодействия между ней и структурными элементами.

Кровь -- неньютоновская жидкость. В наибольшей степени это связано с тем, что она обладает внутренней структурой, представляя собой суспензию форменных элементов в растворе -- плазме. Плазма -- практически ньютоновская жидкость. Поскольку 93% форменных элементов составляют эритроциты, то при упрощенном рассмотрении кровь -- это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Характерным свойством эритроцитов является тенденция к образованию агрегатов. Если нанести мазок крови на предметный столик микроскопа, то можно видеть, как эритроциты “склеиваются” друг с другом, образуя агрегаты, которые получили название монетных столбиков. Условия образования агрегатов различны в крупных и мелких сосудах. Это связано в первую очередь с соотношением размеров сосуда, агрегата и эритроцита.

Здесь возможны варианты:

1.Крупные сосуды (аорта, артерии):

d_coc>d_агр, d_coc>>d_эритр.

При этом градиент dV / dZ небольшой, эритроциты собираются в агрегаты в виде монетных столбиков. В этом случае вязкость крови µ= 0,005 Па^.с.

2. Мелкие сосуды (мелкие артерии, артериолы):

d_cocd_агр, d_coc = (5-20)d_эритр .

В них градиент dV / dZ значительно увеличивается и агрегаты распадаются на отдельные эритроциты, тем самым уменьшая вязкость системы. Для этих сосудов чем меньше диаметр просвета, тем меньше вязкость крови. В сосудах диаметром около 5 d_эp вязкость крови составляет примерно 2/3 вязкости крови в крупных сосудах.

3. Микрососуды (капилляры):

d_coc<d_эритр .

В живом сосуде эритроциты легко деформируются, становясь похожими на купол, и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. В результате поверхность соприкосновения эритроцитов со стенкой капилляра увеличивается по сравнению с недеформированным эритроцитом, способствуя обменным процессам.

Если предположить, чтоэритроциты не деформируются, то для качественного описания изменения вязкости системы можно применить формулу (2), в которой можно учесть различие геометрического фактора для системы из агрегатов (К_агр) и для системы отдельных эритроцитов (К_эр):

К_агр ? К_эр,

обусловливающее различие вязкости крови в крупных и мелких сосудах.

Для описания процессов в микрососудах формула (2) не применима, так как в этом случае не выполняются допущения об однородности среды и твердости частиц.

Таким образом, внутренняя структура крови, а следовательно, и ее вязкость, оказывается неодинаковой вдоль кровеносного русла в зависимости от условий течения. Кровь является неньютоновской жидкостью. Зависимость силы вязкости от градиента скорости для течения крови по сосудам не подчиняется формуле Ньютона (1) и является нелинейной.

Вязкость, характерная для течения крови в крупных сосудах:внорме µ_кр=(4,2 -- 6)^.µ_в 1;прианемии µ_ан=(2 -- 3)^.µ_в;при полицитемии

µ_пол=(15 -- 20)^.µ_в. Вязкость плазмы µ_пл =1,2µ_в. Вязкость воды µ_в= 0,01 Пуаз (1 Пуаз = 0,1 Па^.с).

Как и у любой жидкости, вязкость крови возрастает при снижении температуры. Например, при уменьшении температуры с 37° до 17° вязкость крови возрастает на 10 %.

Режимы течения жидкости разделяют на ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение -- это упорядоченное течение жидкости, при котором она перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения (см. Приложение 1, а). Для ламинарного течения характерны гладкие квазипараллельные траектории. При ламинарном течении скорость в сечении трубы изменяется по параболическому закону:



где R -- радиус трубы, Z -- расстояние от оси, V₀ -- осевая (максимальная) скорость течения.

С увеличением скорости движения ламинарное течение переходит в турбулентное течение, при котором происходит интенсивное перемешивание между слоями жидкости, в потоке возникают многочисленные вихри различных размеров. Частицы совершают хаотические движения по сложным траекториям. Для турбулентного течения характерно чрезвычайно нерегулярное, беспорядочное изменение скорости со временем в каждой точке потока. Можно ввести понятие об усредненной скорости движения, получающейся в результате усреднения по большим промежуткам времени истинной скорости в каждой точке пространства. При этом существенно изменяются свойства течения, в частности, структура потока, профиль скоростей, закон сопротивления. Профиль осредненной скорости турбулентного течения в трубах отличается от параболического профиля ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения (см. Приложение 2, б). За исключением тонкого слоя около стенки, профиль скорости описывается логарифмическим законом. Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса Rе. Для течения жидкости в круглой трубе:

(3)

где V -- скорость течения, средняя по поперечному сечению, R--радиус трубы.

Когда значение Rе меньше критического Rе_кр 2300, имеетместо ламинарное течение жидкости, если Rе >Rе_кр, то течение становится турбулентным. Как правило, движение крови по сосудам является ламинарным. Однако в ряде случаев возможно возникновение турбулентности. Турбулентное движение крови в аорте может быть вызвано прежде всего турбулентностью кровотока у входа в нее: вихри потока уже изначально существуют, когда кровь выталкивается из желудочка в аорту, что хорошо наблюдается при доплер-кардиографии. У мест разветвления сосудов, а также при возрастании скорости кровотока (например, при мышечной работе) течение может стать турбулентным и в артериях. Турбулентное течение может возникнуть в сосуде в области его локального сужения, например, при образовании тромба.

Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости, поэтому в кровеносной системе это может привести к дополнительной нагрузке на сердце. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностики заболеваний. При поражении клапанов сердца возникают так называемые сердечные шумы, вызванные турбулентным движением крови.

30. Движение крови в капиллярах. Микроциркуляция

Капилляры представляют собой тончайшие сосуды, диаметром 5--7 мкм, длиной 0,5--1,1 мм. Эти сосуды пролегают в меж­клеточных пространствах, тесно соприкасаясь с клетками органов и тканей организма. Суммарная длина всех капилляров тела чело­века составляет около 100 000 км, т. е. нить, которой можно было бы 3 раза опоясать земной шар по экватору. Физиологическое значение капилляров состоит в том, что через их стенки осущест­вляется обмен веществ между кровью и тканями. Стенки капилляров образованы только одним слоем клеток эндотелия, снаружи которого находится тонкая соединительнотканная базальная мембрана.

Скорость кровотока в капиллярах невелика и составляет 0,5-- 1 мм/с. Таким образом, каждая частица крови находится в капил­ляре примерно 1 с. Небольшая толщина слоя крови (7--8 мкм) и тесный контакт его с клетками органов и тканей, а также непре­рывная смена крови в капиллярах обеспечивают возможность обмена веществ между кровью и тканевой (межклеточной) жидкостью.

В тканях, отличающихся интенсивным обменом веществ, число капилляров на 1 мм2 поперечного сечения больше, чем в тканях, в которых обмен веществ менее интенсивный. Так, в сердце на 1 мм2 сечения в 2 раза больше капилляров, чем в скелетной мышце. В сером веществе мозга, где много клеточных элементов, капил­лярная сеть значительно более густая, чем в белом.

Различают два вида функционирующих капилляров. Одни из них образуют кратчайший путь между артериолами и венулами (магистральные капилляры). Другие представляют собой боковые ответвления от первых: они отходят от артериального конца маги­стральных капилляров и впадают в их венозный конец. Эти боковые ответвления образуют капиллярные сети. Объемная и линейная скорость кровотока в магистральных капиллярах больше, чем в боковых ответвлениях. Магистральные капилляры играют важную роль в распределении крови в капиллярных сетях и в других фе­номенах микроциркуляции.

Давление крови в капиллярах измеряют прямым способом: под контролем бинокулярного микроскопа в капилляр вводят тончайшую канюлю, соединенную с электроманометром. У человека давление на артериальном конце капилляра равно 32 мм рт.ст., а на венозном -- 15 мм рт.ст., на вершине петли капилляра ногтевого ложа -- 24 мм рт.ст. В капиллярах почечных клубочков давление достигает 65-- 70 мм рт.ст., а в капиллярах, оплетающих почечные канальцы, -- всего 14--18 мм рт.ст. Очень невелико давление в капиллярах лег­ких -- в среднем 6 мм рт.ст. Измерение капиллярного давления про­изводят в положении тела, при котором капилляры исследуемой обла­сти находятся на одном уровне с сердцем. В случае расширения артериол давление в капиллярах повышается, а при сужении понижается.

Кровь течет лишь в «дежурных» капиллярах. Часть капилляров выключена из кровообращения. В период интенсивной деятельности органов (например, при сокращении мышц или секреторной активности желез), когда обмен веществ в них усиливается, количество функционирующих капилляров значительно возрастает.

Регулирование капиллярного кровообращения нервной системой, влияние на него физиологически активных веществ -- гормонов и ме­таболитов -- осуществляются при воздействии их на артерии и артериолы. Сужение или расширение артерий и артериол изменяет как количество функционирующих капилляров, распределение крови в ветвящейся капиллярной сети, так и состав крови, протекающей по капиллярам, т. е. соотношение эритроцитов и плазмы. При этом об­щий кровоток через метартериолы и капилляры определяется сокра­щением гладких мышечных клеток артериол, а степень сокращения прекапиллярных сфинктеров (гладких мышечных клеток, располо­женных у устья капилляра при его отхождении от метаартериол) оп­ределяет, какая часть крови пройдет через истинные капилляры.

В некоторых участках тела, например в коже, легких и почках, имеются непосредственные соединения артериол и венул -- артериовенозные анастомозы. Это наиболее короткий путь между артериолами и венулами. В обычных условиях анастомозы закрыты и кровь проходит через капиллярную сеть. Если анастомозы откры­ваются, то часть крови може

Артериовенозные анастомозы играют роль шунтов, регулирую­щих капиллярное кровообращение. Примером этого является изме­нение капиллярного кровообращения в коже при повышении (свыше 35°С) или понижении (ниже 15°С) температуры окружающей среды. Анастомозы в коже открываются и устанавливается ток крови из артериол непосредственно в вены, что играет большую роль в про­цессах терморегуляции.

Структурной и функциональной единицей кровотока в мелких со­судах является сосудистый модуль -- относительно обособленный в гемодинамическом отношении комплекс микрососудов, снабжающий кровью определенную клеточную популяцию органа. При этом имеет место специфичность васкуляризации тканей различных органов, что проявляется в особенностях ветвления микрососудов, плотности капилляризации тканей и др. Наличие модулей позволяет регулировать локальный кровоток в отдельных микроучастках тканей.

Микроциркуляция -- собирательное понятие. Оно объеди­няет механизмы кровотока в мелких сосудах и теснейшим образом связанный с кровотоком обмен жидкостью и растворенными в ней газами и веществами между сосудами и тканевой жидкостью.

...