Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние физиологически активных веществ на электрофизиологические и сократительные свойства гладкомышечных клеток воротной вены морских свинок в постнатальном онтогенезе

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Комаров, Александр Юрьевич, Омск

ОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Комаров Александр Юрьевич

Влияние физиологически активных веществ на электрофизиологические и сократительные свойства гладкомышечных клеток воротной вены морских свинок в постнатальном онтогенезе

03.00.13. физиология человека и животных

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук.

Научный руководитель доктор медицинских наук, профессор А.Г. Патюков

Омск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ............................................................ 5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 6

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Цитоморфологические особенности гладких мышц................................................................................ 9

1.2 Электрофизиологические свойства гладко-

мышечных клеток.................................'...."............................. 13

1.3 Механизмы возникновения мембранного потенциала и ионный обмен в гладком ышеч-

ных клетках............................................................................ 17

1.4 Механизмы спонтанной активности гладких мышц и потенциалов действия....................................... 21

1.5 Сопряжение возбуждения и сокращения

в гладких мышцах.................................................................. 23

1.6 Действие физиологически активных

веществ на гладкие мышцы................................................... 27

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объект исследования....................................................... 36

2.2 Используемые растворы и физиологически

активные вещества........................................................... 37

2.3 Регистрация электрических и сократительных

эффектов гладких мышц........................................................ 37

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГЛА ДКОМЫШЕЧНЫ X КЛЕТОК ВОРОТНОЙ ВЕНЫ МОРСКИХ СВИНОК В ПЕРИОД НОВОРОЖДЕННОСТИ

3.1 Электрофизиологические и сократительные свойства воротной вены морских свинок в период новорожденное™.................................................... 41

3.2 Влияние адреналина, норадреналина, ацетилхо-лина, АТФ на электрическую и сократительную активность воротной вены морских свинок в период новорожденное! и................................. 46

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГЛАДКОМЫШЕЧНЫХ

КЛЕТОК ВОРОТНОЙ ВЕНЫ МОРСКИХ СВИНОК В ПЕРИОД ЗРЕЛОСТИ

4.1 Электрофизиологические и сократительные свойства воротной вены морских свинок в период зрелости................................................................... 81

4.2 Влияние адреналина, норадреналина, ацетилхо-лина, АТФ на электрическую и сократительную активность воротной вены морских свинок в период зрелости..................................................................... 86

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И СОКРАТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ГЛАДКОМЫШЕЧНЫХ КЛЕТОК ВОРОТНОЙ ВЕНЫ МОРСКИХ СВИНОК В ПЕРИОД СТАРОСТИ

5.1 Электрофизиологические и сократительные свойства воротной вены морских свинок в

период старости................................................................... 122

5.2 Влияние адреналина, норадреналина, ацетилхо-лина, АТФ на электрическую и сократительную активность воротной вены морских свинок в

период старости..................................................................... 127

Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ... 162

ВЫВОДЫ...................................................................................172

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. 174

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

(ГМК) - гладкомышечные клетки

(ФАВ) - физиологически активное вещество

(АН) - адреналин

(НА) - норадреналин

(АХ) - ацетилхолин

(АТФ) - аденозинтрифосфорная кислота (ГТФ) - гуанозинтрифосфорная кислота (ГДФ) - гуанозиндифосфорная кислота (цГМФ) - циклический гуанозинмонофосфат (цАМФ) - циклический аденозинмонофосфат

(ФДЭцАМФ) - фосфодиэстераза циклического аденозинмонофосфата (МП) - мембранный потенциал покоя

(МВ) - медленная волна деполяризации (ПД) - потенциал действия

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Кровеносные сосуды обеспечивают многие жизненно важные функции организма. В реализации этих функций большая роль принадлежит гладкомышечным клеткам (ГМК).

В настоящее время исследованы электрофизиологические, сократительные свойства ГМК органов пищеварения и мочеполовой системы [С.А. Бакунц, 1970; Е.С. Атанасом, 1972; П.Г. Богач, 1974; К.В. Казарян, 1987; А.Г. Патюков, 1994, 1995, 1996; А.Г. Патюков, С.К. Поддубный 1994, 1995, 1996, 1997; Papsova М.Р., 1968; Т. Tomita 1981 и ДР-]-

В литературе имеется немало работ по изучению указанных свойств гладких мышц сосудов зрелых животных [Шуба М.Ф., Кочемасова Н.Г., Тараненко В.М., 1982-1988; Никитина Е.И., 1983; Daemers-Lambert С., 1976, Bencham C.D., 1984; Waxman М.В., 1994], в которых показано, что чувствительность их к физиологически активным веществам имеет выраженные органные и видовые отличия.

Вместе с тем, до сих пор не изучена динамика изменений электрогенеза и электромеханического сопряжения гладкомышечных клеток воротной вены морских свинок в периоды новорожденности, зрелости, старости, не выяснены возрастные особенности ионной проницаемости мембран гладкомышечных клеток и влияние на них физиологически активных веществ .

Цель и задачи исследования. Изучить влияние физиологи чески активных веществ на электрогенез и электромеханическое сопряжение гладкомышечных клеток (ГМК) сосудов в онтогенезе.

Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить электрофизиологические свойства гладкомышечных клеток воротной вены морских свинок в периоды новорожденное™, зрелости и старости.

2. Выяснить особенности электромеханического сопряжения ГМК воротной вены в указанные возрастные периоды.

3. Исследовать влияние адреналина, норадреналина, ацетилхолина, аденозинтрифосфорной кислоты на электрогенез и электромеханическое сопряжение ГМК воротной вены в периоды новорожденности, зрелости, старости.

Научная новизна. Впервые изучено электромеханическое сопряжение гладкомышечных клеток воротной вены морских свинок в периоды новорожденности, зрелости и старости. Установлено, что формирование спонтанной и вызванной биоэлектрической и сократительной активности ГМК воротной вены морских свинок происходит гетерохронно и к моменту рождения животного окончательно не завершается. Наблюдаются возрастные изменения мембранного потенциала, спонтанной, вызванной биоэлектрической и сократигельной активности гладкомышечных клеток. Показано, что адреналин, норадреналин, аденозинтрифосфорная кислота в различные возрастные периоды стимулировали спонтанную и вызванную биоэлектрическую и сократительную активность ГМК. Ацетилхолин вызывал торможение электрогенеза и сокращений ГМК воротной вены.

Практическое значение. Наши исследования являются фун да м ентал ь н ым и. Полученные данные позволяют выяснить возрастные особенности влияния адреналина, норадреналина, ацетилхолина, АТФ на электрогенез и электромеханическое сопряжение ГМК воротной вены. Это дает возможность глубже понять механизмы

регуляции тонуса сосудов, целенаправленно применять указанные вещества в медицинской практике.

Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе кафедр физиологии, патофизиологии, фармакологии медицинских и биологических высших учебных заведений, в дальнейшей научно-исследовательской работе.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Процесс постнатального онтогенеза сопровождается количественными и качественными изменениями биоэлектрических и сократительных свойств воротной вены морских свинок, связанные с возрастными особенностями электрогенеза, а также ионной проницаемости цитоплазматической мембраны.

2. Адреналин, норадреналин, АТФ стимулируют биоэлектрическую и сократительную активность ГМК во все возрастные периоды.

3. Ацетилхолин тормозит биоэлектрическую и сократительную активность ГМК.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на заседаниях Омского отделения Российского физиологического общества им. И.П. Павлова в 1997, 1998, 1999 годах, на XVII съезде физиологов России (Ростов-на-Дону, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, собственных исследований, обсуждения, выводов и списка литературы (378 источников, из них 176 зарубежных). Материалы диссертации изложены на 214 листах компьютерного текста. Работа иллюстрирована 74 рисунками и 30 таблицами.

Глава 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Цитоморфологические особенности гладких мышц

Структура и функция тканей организма взаимно обусловлены. Кроме того, они могут динамически изменяться во времени в силу эндо-и экзогенных причин. Исследованию этих свойств посвящено немало работ отечественных и зарубежных [74, 73, 94, 88, 90, 159, 162, 229, 252] авторов.

По классификации В.Г. Елисеева, A.A. Заварзина [74], гладкая и скелетные мышцы отнесены к мышечной ткани - производной мезенхимы. Известно, что поперечно-полосатая мускулатура филогенетически более старая, чем гладкомы шечная ткань [90].

В литературе имеется немало работ, показывающих наличие морфофункциональных изменений в гладкомышечных клетках (ГМК) в ходе онтогенеза [73, 90, 159, 162, 252]. Отмечено, что в процессе роста и дифференцировки мышечной ткани изменяется содержание сократительных белков, в частности в миобластах они практически отсутствуют. В низкодифференцированных ГМК содержится незначительное количество сократительных белков, имеющих небольшую толщину. Комплекс Гольджи и гранулярный эндоплазматический ретикулум более выражены, чем у зрелых. Отмечается небольшое количество кавеол или везикул на плазматической мембране незрелых ГМК. По мере роста их количество возрастает, увеличивается и число миофиламентов.

Форма незрелых ГМК отличается большей полигональностью. В процессе созревания значительно снижается их способность к делению. Пролиферация большинства ГМК завершается в первые месяцы постнатального онтогенеза.

Группа ГМК, имеющая общую соединительнотканную оболочку, называется мышечным пучком. Он является функциональной единицей гладких мышц. Длина его может достигать нескольких миллиметров, диаметр - 100 мкМ и более.

В кишечнике, мочеточнике, сосудах, матке пучки ГМК располагаются слоями. Они функционально взаимосвязаны. Это обеспечивается тонкими мышечными волокнами, которые соединяют пучки ГМК между собой [219].

Гладкомышечные клетки, формирующие мышечные пучки, в основном имеют веретенообразную форму. В среднем длина зрелых ГМК может достигать 18-400 мкМ, диаиметр - от 2 до 20 мкМ [35, 90, 250, 274, 289, 290].

В результате различной плотности прилегания ГМК объём межклеточного пространства может достигать 9-60% общего объёма ткани [35, 250, 274, 289, 290, 322]. Гладкомышечная ткань обладает свойствами функционального синцития. Они обусловлены различными видами межклеточных контактов. Различают "Простое прилегание" - в данном случае между плазматическими мембранами соседних ГМК отмечается промежуток 17-20 нМ. "Мостики", представляющие собой углубления базальной мембраны одних клеток, в которых расположены выпячивания мембраны соседних. Их размер достигает 0,6 мкМ. "Квазидесмосомные контакты" (десмосомы) при электронной микроскопии выглядят небольшими электронноплотными участками. "Нексусы" имеют вид щелевых контактов или внедрений по типу интрузии. Считается, что последим видом прилегания обеспечивается электрическая, а, возможно, и ионная связь клеток [12, 190, 219, 248, 266, 290].

Большинство гладкомышечных клеток имеют одно ядро вытянутой формы, которое чаще располагается в центре. Кроме того, в них определяются центриоли и аппарат Гольджи [90, 282, 290]. Саркоплазматический ретикулум представлен большим количеством тубул и пузырьков [33,140, 248, 289, 290, 320].

По данным G. Gabella, эндоплазма™ческий ретикулум выполняет те же функции, что и аналогичные структуры других видов мышц (скелетной, сердечной). В нём выделяют центральный и периферический отделы. Большая часть саркоплазм атической сети образует контакты с кавеолами и мембраной клетки. Аналогичные связи формируют часть митохондрий, находящихся вблизи цитоплазматической мембраны [290].

Лизосомальный аппарат представлен скоплением плотных на вид образований сферической формы или мультивезикулярными структурами. Он обеспечивает выделение продуктов жизнедеятельности гладкомышечной клетки. Цитоскелет, состоящий из микротубул, выполняет опорную роль клетки [250, 274, 290, 320].

Сократительный аппарат ГМК сосудов состоит из миофибрилл. Они формируют пучки, располагающиеся вдоль оси клеток, которые заканчиваются тельцами в цитоплазматической мембране. Миофибрилл ы состоят из миозиновых (15-19 нМ) и актиновых (5-10 нМ) миофиламентов. Причём количество миозиновых меньше, чем актиновых.

Иннервация ГМК различных органов осуществляется вегетативными нервами, которые оказывают на них возбуждающее или тормозящее влияние. В мышечном слое нервные стволы ветвятся и образуют расширения - варикозы, содержащие нейромедиаторы [16, 62, 75, 136,141, 145, 220, 222, 250, 255, 288].

Многочисленными исследованиями установлено, что ГМК

являются одним из важнейших компонентов ряда сосудов. Первые кровеносные сосуды появляются в мезенхиме желточного мешка в конце 2-й - начале 3-й недели эмбриогенеза, а также в стенке хориона в виде кровяных островков. Из их периферических мезенхимальных клеток формируется эндотелий первичного кровеносного сосуда, а из центральной части дифференцируются клетки крови. Из клеток, окружающих сосуд, позднее формируются ГМК, перициты и адвентиций сосуда, а так же фибробласты и межклеточное вещество.

Таким образом, стенка артерий и вен состоит из внутренней (интимы), средней (медии) и наружной оболочки. Дальнейшее развитие стенки сосудов происходит под влиянием гемодинамических условий, которые создаются в различных органах.

Исходя из классического представления о строении печёночных долек, кровеносную систему печени условно можно разделить на три части: системы притока, циркуляции крови внутри долек и оттока её. Система притока представлена воротной веной и печёночной артерией. Воротная вена доставляет в печень кровь, богатую веществами, всосавшимися в кишечнике. Она развивается из желточной вены. В дальнейшем по ходу ветвей её внутри печени образуется соединительная ткань, которая разделяет её на дольки. Особенностью строения стенки воротной вены является наличие в средней оболочке её не одного, а двух слоёв ГМК - внутреннего (кольцевого) и наружного (продольного).

На ранних стадиях миогенеза в ГМК сосудов хорошо развиты гранулярная и эндоплазм ати ческая сеть, комплекс Гольджи, а миофиламенты - недостаточно. На наружной поверхности мембраны имеются многочисленные цитоплазматические выросты, которые тесно контактируют с соседними клетками. По мере развития возрастает

число миофиламентов, размеры клеток увеличиваются. Интенсивные пролиферативные процессы в ГМК сосудов, как правило, заканчиваются в первые месяцы постнатальной жизни [90, 224, 297, 323].

Таким образом, в процессе развития ГМК происходят выраженные структурные изменения. В связи с этим, есть основания полагать, что на разных стадиях постнатального развития ГМК сосудов имеются и функциональные особенности.

1.2 Электрофизиологические свойства гладкомышечных клеток

Исследования с применением микроэлектродной техники и методикой двойного сахарозного мостика было установлено, что гладкомышечная ткань обладает свойствами кабеля с большими диэлектрическими потерями [188,206, 304, 305, 324, 361, 363].

На основании полученных результатов была предложена эквивалентная электрическая схема гладкомышечного волокна (рис.1).

Cm

Рис. ГШ- продольное сопротивление внутреннего участка кабеля, Яо -сопротивление межклеточных соединений, Уш - потенциал мембраны, Ит - сопротивление мембраны, Стп - емкость мембраны.

Исходя из теоретических и экспериментальных данных эквивалентной схемы, в работах [304, 305, 361] были рассчитаны электрические параметры ГМК. Сопротивление цитоплазматической мембраны в среднем составляет 100-2000 Ом/см, межклеточной жидкости - 200 Ом/см; ёмкость мембраны - 1,5-3 мкФ/см2, сопротивление - 50-200 кОм*см. Эти показатели свидетельствуют о наличии в ГМК межклеточных контактов с низким электрическим сопротивлением [266, 273].

Экспериментально установлена зависимость величины электротонического потенциала от расстояния до раздражающего электрода (X). Данный параметр отражает значение постоянной затухания электротона. Показано [206, 361], что для многих изученных видов гладких мышц он различен. В среднем эта величина составляет от 1,0 до 2,4 мм. Большой интерес представляют работы по расчёту временной константы мембраны (т), показатели которой имели значительное сходство с рассчитанной теоретически [206, 304, 324, 361]. В среднем время затухания электротона для гладких мышц равно 80-2500 мс.

В литературе имеется большое количество исследований [35, 71, 82, 83, 84, 128, 140, 186], устанавливающих величину тр