Рефрактерность — фундаментальное свойство любого объекта автоволновой природы (особенно возбудимой среды ), не реагирующего на раздражители, если объект находится в специфическом рефрактерном состоянии . В обыденном понимании рефрактерный период — это характерное время восстановления, период, связанный с движением точки изображения по левой ветви изоклины [B: 1] (подробнее см. также Реакция–диффузия и Параболическое уравнение в частных производных ).
В физиологии [B: 2] рефрактерный период — это период времени, в течение которого орган или клетка неспособны повторить определенное действие, или (точнее) количество времени, которое требуется возбудимой мембране , чтобы быть готовой ко второму стимулу после того, как она возвращается в состояние покоя после возбуждения. Чаще всего это относится к электрически возбудимым мышечным клеткам или нейронам. Абсолютный рефрактерный период соответствует деполяризации и реполяризации, тогда как относительный рефрактерный период соответствует гиперполяризации.
После инициации потенциала действия рефрактерный период определяется двумя способами: абсолютный рефрактерный период совпадает почти со всей продолжительностью потенциала действия. В нейронах он вызван инактивацией Na + -каналов , которые изначально открывались для деполяризации мембраны. Эти каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембрана не гиперполяризуется. Затем каналы закрываются, деинактивируются и восстанавливают свою способность открываться в ответ на стимул.
Относительный рефрактерный период следует сразу за абсолютным. Поскольку потенциалзависимые калиевые каналы открываются для прекращения потенциала действия путем реполяризации мембраны, калиевая проводимость мембраны резко увеличивается. Ионы K +, выходящие из клетки, приближают мембранный потенциал к равновесному потенциалу калия. Это вызывает кратковременную гиперполяризацию мембраны, то есть мембранный потенциал временно становится более отрицательным, чем нормальный потенциал покоя. Пока калиевая проводимость не вернется к значению покоя, потребуется больший стимул для достижения порога инициации для второй деполяризации. Возврат к равновесному потенциалу покоя знаменует собой конец относительного рефрактерного периода.
Рефрактерный период в физиологии сердца связан с ионными токами, которые в сердечных клетках, как и в нервных клетках, свободно втекают в клетку и вытекают из нее. Поток ионов преобразуется в изменение напряжения внутри клетки относительно внеклеточного пространства. Как и в нервных клетках, это характерное изменение напряжения называется потенциалом действия. В отличие от такового в нервных клетках, продолжительность сердечного потенциала действия ближе к 100 мс (с вариациями в зависимости от типа клетки, автономного тонуса и т. д.). После инициирования потенциала действия сердечная клетка не может инициировать другой потенциал действия в течение некоторого периода времени (который немного короче «истинной» продолжительности потенциала действия). Этот период времени называется рефрактерным периодом, который длится 250 мс и помогает защитить сердце.
В классическом смысле сердечный рефрактерный период делится на абсолютный рефрактерный период и относительный рефрактерный период. В течение абсолютного рефрактерного периода новый потенциал действия не может быть вызван. В течение относительного рефрактерного периода новый потенциал действия может быть вызван при правильных обстоятельствах.
Рефрактерный период сердца может привести к различным формам повторного входа , которые являются причиной тахикардии. [1] [B: 3] Вихри возбуждения в миокарде ( автоволновые вихри ) являются формой повторного входа . Такие вихри могут быть механизмом опасных для жизни сердечных аритмий. В частности, автоволновой ревербератор , чаще называемый спиральными волнами или роторами, может быть обнаружен внутри предсердий и может быть причиной мерцательной аритмии.
Рефрактерный период в нейроне наступает после потенциала действия и обычно длится одну миллисекунду. Потенциал действия состоит из трех фаз.
Первая фаза — деполяризация. Во время деполяризации открываются потенциалзависимые натриевые ионные каналы, увеличивая проводимость мембраны нейрона для ионов натрия и деполяризуя мембранный потенциал клетки (обычно от -70 мВ до положительного потенциала). Другими словами, мембрана становится менее отрицательной. После того, как потенциал достигает порога активации (-55 мВ), деполяризация активно управляется нейроном и превышает равновесный потенциал активированной мембраны (+30 мВ).
Вторая фаза — реполяризация. Во время реполяризации потенциалзависимые натриевые ионные каналы инактивируются (отличаются от закрытого состояния) из-за деполяризованной мембраны, а потенциалзависимые калиевые каналы активируются (открываются). Как инактивация натриевых ионных каналов, так и открытие калиевых ионных каналов действуют, чтобы реполяризовать мембранный потенциал клетки обратно к ее мембранному потенциалу покоя.
Когда мембранный потенциал клетки превышает ее мембранный потенциал покоя (около -60 мВ), клетка входит в фазу гиперполяризации. Это происходит из-за большей, чем в состоянии покоя, проводимости калия через клеточную мембрану. Эта калиевая проводимость в конечном итоге падает, и клетка возвращается к своему мембранному потенциалу покоя.
Недавние исследования показали, что нейрональные рефрактерные периоды могут превышать 20 миллисекунд. Более того, связь между гиперполяризацией и нейрональной рефрактерностью была поставлена под сомнение, поскольку нейрональные рефрактерные периоды наблюдались для нейронов, которые не демонстрируют гиперполяризацию. [2] [3] Было показано, что нейрональный рефрактерный период зависит от источника входного сигнала для нейрона, а также от предшествующей спайковой активности нейрона. [3]
Рефрактерные периоды обусловлены свойством инактивации потенциалзависимых натриевых каналов и задержкой закрытия калиевых каналов. Потенциалзависимые натриевые каналы имеют два механизма открытия: механизм активации, который открывает канал при деполяризации, и механизм инактивации, который закрывает канал при реполяризации. Пока канал находится в неактивном состоянии, он не откроется в ответ на деполяризацию. Период, когда большинство натриевых каналов остаются в неактивном состоянии, является абсолютным рефрактерным периодом. После этого периода остается достаточно потенциалактивируемых натриевых каналов в закрытом (активном) состоянии, чтобы отреагировать на деполяризацию. Однако потенциалзависимые калиевые каналы, которые открылись в ответ на реполяризацию, не закрываются так быстро, как потенциалзависимые натриевые каналы; чтобы вернуться в активное закрытое состояние. В это время дополнительная калиевая проводимость означает, что мембрана находится на более высоком пороге и потребует большего стимула, чтобы вызвать потенциалы действия. Другими словами, поскольку мембранный потенциал внутри аксона становится все более отрицательным по отношению к внешней стороне мембраны, для достижения порогового напряжения и, таким образом, инициирования другого потенциала действия потребуется более сильный стимул. Этот период является относительным рефрактерным периодом.
Потенциал действия мышцы длится примерно 2–4 мс, а абсолютный рефрактерный период составляет примерно 1–3 мс, что короче, чем у других клеток.
