Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Ассиметричный эпителий и его функции Основной структурной и функциональной единицей почечного эпителия является ассиметричная клетка. Такое название она получила потому, что морфофункциональные отличия касаются ее апикальной и дистальной мембран. Апикальная плазматическая мембрана, которая обращена в просвет почечных канальцев, имеет множество ворсинок, особенно в проксимальной части. Дистальная плазматическая мембрана, которая обращена в кровь, имеет множество складок, содержащих скопление митохондрий. Считается, что в проксимальном отделе происходит активная реабсорбция и секреция электролитов и неэлектролитов, а в петле Генли и дистальном отделе реабсорбция электролитов и секреция катионов калия, протона и аммония. Одно и то же вещество может транспортироваться через ассиметричную клетку по-разному. Так, глюкоза через апикальную мембрану реабсорбируется вторично-активным транспортом, а через проксимальную в кровь – пассивным. Эти и другие виды транспорта (см.Разд.VII) обеспечивают 165 функционирование на протяжении всего почечного канальца уникальной противоградиентной системы. У поверхности клеток в апикальной части плазматические мембраны идут параллельно друг другу. Различают несколько типов межклеточных контактов: 1. Плотный – нексус (зона 0,4-0,6 мкм, ширина 16 нм). 2. Промежуточный (зона 0,2 мкм, ширина 20 нм). 3. Десмосома (зона 0,4 мкм, ширина 30 нм), Зона нексуса, по-видимому, непроницаема вообще для каких-то веществ, тогда как промежуточные или щелевые контакты отличает обязательное присутствие в их составе особых каналов диаметром 1,5-3 нм, проницаемых для низкомолекулярных веществ (1-2 кД). Щелевые контакты получили название высокопроницаемых контактов (ВПК). Они становятся чувствительными к механическому разобщению при удалении ионов кальция, алкалозе, действию гипертонического раствора. Их существование может обеспечить транспорт низкомолекулярных веществ в продольном направлении, например в случае движения к глубоким слоям многоклеточной структуры. Считают, что антидиуретический гормон, усиливающий транспорт воды примерно в 10 раз, изменяет проницаемость именно ВПК многослойного почечного эпителия. Во всяком случае, расчеты транспорта воды, проведенные с помощью уравнения Фика (см.Разд.VII), были в 3-5 раз ниже полученных в действительности. Впервые предположил существование ассиметричности транспорта для ионов натрия Джонсен и Уссинг (1958 г.). В основе их двухмембранной модели лежит предложение о пространственно разделенных системах переноса ионов натрия через мембрану: пассивного и активного транспорта. Если наружная мембрана (апекс) клетки способна к пропусканию Na + пассивно, то внутренняя с помощью Na + /К + -насоса удаляет этот ион наружу, создавая градиент для пассивного транспорта (см.Разд.VII). Ионы калия, которые закачиваются тем же насосом в клетку, покидают ее через внутреннюю мембрану, за счет направленного наружу градиента. Таким образом, общий мембранный потенциал будет складываться из потенциалов, образуемых ионами натрия и калия: Na in E + K , где: in ex Na Na Na Ln F RT и in ex K K K Ln F RT [Na + ] и [К + ] - концентрации внутриклеточных – in и внеклеточных ионов – ex, соответственно. В настоящее время доказано, что: 1.Наружняя мембрана ассиметричной клетки проницаема только для ионов Na + и Li + и этот процесс протекает с помощью переносчиков пассивно. Эти переносчики не угнетаются блокаторами натриевых каналов ТТХ (см.Разд.VII). 166 2.Внутри ассиметричной клетки много ионов калия, для которых наружная мембрана практически не проницаема, а процесс выхода из клетки осуществляется через внутреннюю мембрану. 3.Чувствительный к ингибитору дыхания митохондрий 2,4- динитрофенолу, Na + /К + -насос, как оказалось, локализован на внутренней мембране. Его режим работы электронейтрален (1:1). Он удаляет ион натрия наружу, закачивая внутрь ион калия. 4.В многоклеточных структурах ионы натрия могут располагаться в подэпителиальной части (кожа) и в свободном состоянии во внутриклеточной жидкости (до 40%). Лишь его небольшая часть (8%) является транспортным фондом. 5.Представители систем облегченной диффузии анионного транспорта (симпорт, антипорт) с участием специфических переносчиков представлены в полной мере: Na + /Cl - -обмен Na + /Na +- -обмен Na + /H + -обмен Na + /Ca 2+ -обмен Cl - /HCO 3 - -обмен Cl - / Cl - -обмен антипорт-котранспорт K + /Cl - Na + ,K + ,2Cl - – симпорт-котранспорт Методы изучения трансцеллюлярного транспорта - Микропункция и микроанализ- забор содержимого почечного канальца с помощью микропипетки диаметром 6-10 мкм - Микроперфузия- изоляция участка почечного канальца с помощью гидрофобных пробок и заполнение просвета тестируемым веществом с последующим забором (см.выше). - Изотопных меток: натрия (Na 22 ), рубидия в качестве заместителя калия (Rb 86 ) и др. - Метод короткозамкнутого тока Уссинга – при создании условий полной идентичности концентрационного состава растворов по обе стороны мембраны для исключения пассивного транспорта, подержание постоянного потенциала обеспечивается влиянием Na + /К + -насоса. Величина этого потенциала и есть вклад активного транспорта, и требуется режим короткозамкнутого тока для определения его значения. 167 XIV. БИОФИЗИКА АНАЛИЗАТОРОВ Общие положения Любая биологическая система в процессе нормального функционирования должна обмениваться с окружающей средой не только энергией, веществом, но и информацией. Восприятие информации в организме производится особыми структурами – анализаторами. Анализатор (по И.П.Павлову) состоит из трех звеньев: 1. Рецептора – специализированной структуры для определенного вида воздействия. 2. Нервного проводника (пути), несущего информацию от рецептора. 3. Представителя в центральной нервной системе, анализирующего полученную информацию. Ранее анализатор соотносился с органом чувств (Аристотель): зрение, слух, вкус, осязание, обоняние. Затем появились другие представления о более расширенной картине восприятия мира: боль, тепло, холод, жар, мышечное и суставное чувство, голод и т.д. В настоящее время возможны варианты классификации органов чувств по ряду критериев: сходству ощущений, анатомическому различию (капсулированные и инкапсулированные), качеству воздействующей энергии (баро-, термо и хеморецепторы), и т.д. И, несмотря на многообразие видов и функций органов чувств, у них есть общие свойства. Порог органов чувств Различают: 1. Абсолютный порог – минимальная величина раздражения, достаточная для ответной реакции анализатора – j. 2. Возбудимость – величина, обратная абсолютному порогу: j E 1 3. Адекватность – способность с наибольшей возбудимостью отвечать на определенные стимулы. Это более широкое представление, чем возбудимость, так как зависит не только от порога, но и от большего количества других факторов стимула (t – длительность, q – производная по времени, l – крутизна нарастания и т.д.). , , 1 l q j E адекв R 4. Закон специфических энергий Белла-Мюллера. Одно и то же раздражение, действуя на различные органы чувств, вызывает ощущения различного качества., но различные раздражения, действуя на один и тот же орган чувств, вызывает ощущения одного и того же качества. Таким образом, 168 любой раздражитель может вызвать ответ анализатора, но все упирается в уровень адекватности воздействующего стимула. Так, энергетический уровень чувствительности рецептора к адекватному стимулу – 10 -10 эрг/см 2 – ему нет аналогов. 5. Закон Бугера-Вебера-Фехтнера связан с понятием разностного порога – восприятие анализатором (ощущение, ΔS) происходит, когда есть превышение абсолютного порога (R) на какую-то величину (ΔR): R R c S , где: с – константа пропорциональности. Интегрируя это выражение, получим: C R c S ln с учетом константы: S=0 и R=r-пороговый стимул и меняя константу c 2,3ln = Klg, получим: r R K r R c r c R c S lg ln ln ln . Так как анализатор воспринимает только величину R превышения над абсолютным порогом r, окончательно закон Бугера-Вебера-Фехтнера: R K S lg S – величина ощущения пропорциональна логарифму величины раздражения. Применимость закона Бугера-Вебера-Фехтнера: 1. Описывает деятельность одиночной сенсорной единицы – группы рецепторов с общим афферентным нервным волокном. 2. Линейность между токами действия и логарифмом интенсивности соблюдается в определенном диапазоне частот. Орган зрения В качестве анализатора воспринимающую часть органа зрения, представляющую собой гетерогенную совокупность множества структур, условно можно подразделить на оптическую систему и собственно рецепторный аппарат сетчатки (палочки и колбочки). Оптическая система глаза представлена глазным яблоком, которое имеет ряд структур, преломляющих свет – роговицу, водянистую влагу, хрусталик и стекловидное тело. Их функция – с наименьшими потерями передать на сетчатку уменьшенное перевернутое изображение, обеспечивается близкими величинами коэффициента преломления света всех этих структур (1,3). Фокусировка на глазном дне изображения вне зависимости от удаленности предмета – аккомодация – обеспечивается хрусталиком, который меняет свою кривизну под влиянием напряжения специальных мышц. Нарушение этого процесса приводит к близорукости или дальнозоркости. 169 Палочки и колбочки сетчатки глаза непосредственно отвечают за восприятие черно-белого (палочки) и цветного (колбочки) света. Особенности строения- наличие перетяжки, разделяющей клетки- рецепторы на две части: внутренний и наружный сегменты Во внутреннем сегмент сгруппированы все основные органеллы клетки (ядро, митохондрии, лизосомы и т.д.) и обеспечивается контакт с биполярными нейронами. Наружный сегмент заполнен пластинчатой структурой- 2-х слойной мембраной, выстланной молекулами пигмента. Он, собственно, и выполняет роль преобразователя энергии фотона в биохимические и биофизические процессы в рецепторе. Фотохимия палочек и колбочек. Зрительный пигмент палочек родопсин состоит из 2-х частей: белковой – опсина и небелковой ретиналя- ретинальдегида витамина А. Ретиналь с опсином соединен нековалентными связями. При освещении цис-изомер ретиналя переходит в транс-форму. Изменение конформации приводит к распаду комплекса родопсина на транс- ретиналь и опсин. Эта стадия происходит в несколько этапов: родопсин ► прелюмиродопсин ► люмиродопсин ►метародопсин-I ►метародопсин-II ►транс-ретиналь + опсин. В результате распада комплекса пигмент, имеющий пупрпурный цвет обесцвечивается, но это состояние длится очень недолго (мс.) – под влиянием НАДН ДГ транс-форма ретиналя превращается в цис- форму в родопсине. Биоэлектрические потенциалы сетчатки. При освещении сетчатка генерирует потенциалы: 1. Ранний рецепторный потенциал состоит из двух компонент. Первая – низкоамплитудная – возникает сразу после действия света, вторая высокоамплитудная – пропорциональна количеству возбужденных молекул пигмента – родопсина. 2. Поздний рецепторный потенциал обусловлен изменением проницаемости мембраны рецепторов к ионам натрия, регулируется уровнем цГМФ. 3. Темновой ток – в отсутствии света (в темноте) между наружным и внутренним сегментами имеется разность потенциалов и возникает ток, обусловленный тем, что мембрана наружного сегмента деполяризована (-25 мВ) из-за высокой проницаемости ионов натрия. При действии света эта деполяризация сменяется гиперполяризацией (до– 40 мВ) из-за снижения уровня цГМФ в клетке и проницаемости натриевых каналов наружного членика. Причина гиперполяризации – в активации светочувствительной фосфодиэстеразы – фермента расщепляющего циклические нуклеотиды. После воздействия фотона света и выхода ионов кальция из депо образуется ГТФ-связывающий белок трансдуцин, который активирует светочувствительную фосфодиэстеразу, связывая регуляторные, и высвобождает ее каталитическую субъединицу для расщепления цГМФ. 170 Генераторный потенциал палочек и колбочек – гиперполяризационный ответ. Гипотезы цветного зрения Цветное зрение обеспечивается колбочками, имеющими три вида пигмента йодопсинов. Их максимумы спектров поглощения лежат в области красного, зеленого и синего цвета – трехкомпонентная гипотеза Юнга. Кроме того, ширина этих спектров такова, что обеспечивает значительное перекрывание друг друга (Рис. 39). Рис. 39. Перекрытие спектров поглощения йодопсина Существование таких пигментов доказано с использованием узконаправленных пучков монохроматического света (Мак Николсон) и света интенсивностью чуть выше порогового (Уилсон), позволяющего регистрировать по мере нарастания все три вида спектра в колбочках. Таким образом, трехкомпонентная гипотеза Юнга и в настоящее время имеет ряд подтверждений экспериментального характера Орган слуха Орган слуха включает три основных раздела: наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо представлено ушной раковиной, форма которой приспособлена для улавливания звуковых сигналов и передаче их на барабанную перепонку среднего уха. Среднее ухо ограничено от наружного – барабанной перепонкой, а от внутреннего – овальным окном, закрытым мембраной от жидкости эндолимфы. В среднем ухе находится комплекс косточек: молоточек, наковальня и стремечко. К барабанной перепонке прикреплен молоточек, который ее колебания передает на наковальню и далее на стремечко, прикрепленное к овальному окну. В результате, среднее ухо обеспечивает преобразование и усиление воздушных колебаний барабанной перепонки в колебания жидкости внутреннего уха. Внутреннее ухо представляет собой канал, завернутый в виде нескольких оборотов (3,5 витка), который заканчивается круглым окном, сообщающимся с вестибулярным аппаратом. Разделено внутреннее ухо несколькими мембранами (мембраной Рейснера и основной мембраной) на среднюю часть – эндолимфу и окружающую ее перелимфатическое пространство (Рис. 40). 171 Рис. 40. Схематическое строение внутреннего уха В средней части, находится улитка – кортиев орган с собственно рецепторным аппаратом – волосковыми клетками, расположенными между основной и покровной мембраной. Их особенностью является наличие одного длинного волоска и нескольких рядов ворсинок. Различают несколько видов волосковых клеток: 1. Внутренние волосковые клетки расположены у внутренней костной стенки в виде одного ряда из 3500 клеток. 2. Наружные волосковые клетки расположены ближе к наружной костной стенке в виде трех рядов из 24000 клеток. Электрические явления в улитке. Эндолимфа за счет секреции сосудистой полоски имеет избыточную по сравнению с перилимфой концентрацию ионов калия, и ее, потому ее пространство заряжено положительно (+80 мВ) относительно перилимфы. Потенциал покоя волосковых клеток (-40 мВ) во время воздействия колебаний покровной и базальных мембран, вызванных лимфой, изменяется незначительно (рецепторный потенциал: 1-3 мВ). Однако если попытаться зарегистрировать эндокохлеарный потенциал, относительно среднего уха его величина составит -140 мВ и будет изменяться в соответствии с частотой воздействующей звуковой волны, что позволило назвать его микрофонным потенциалом. Считается, что рецепторный потенциал волосковых клеток модулирует изменения микрофонного потенциала и образующийся в результате суммационный потенциал воспринимается нейронами 1-го порядка, которые и передают информацию далее в ЦНС. Кодирование частоты и силы звука осуществляется целым комплексом процессов, в котором участвуют кортиев орган. Колебания эндолимфы, заданные мембраной овального окна, по скорости распространения опережают колебания основной и покровных мембран, и потому, достигая круглого окна, отражаются и суммируются с колебаниями мембран. В случае совпадения частот колебания жидкости и мембран в местах с соответствующей жесткостью происходит образование максимумов (условие резонанса), скорость движения 172 которых обеспечивает раздражение соответствующих волосковых клеток. Считается, что низкие колебания звука (ниже 50 Гц) вызывают колебания всей мембраны с соответствующей воздействующему звуку частотой. Средние частоты наиболее чувствительного диапазона (выше 100 Гц) вызывают колебания основной мембраны в виде «бегущей волны», а высокие (выше 4 кГц) – колебания только части мембраны возле круглого окна. Представленные положения являются основными в гипотезе Бекеши «бегущей волны» и в настоящее время считаются достоверными при объяснении кодирования частоты и силы звуку в улитке. Задачи 1. Сможет ли человек услышать результирующее колебание, полученное при сложении двух ультразвуковых колебаний с частотами 800 и 799 кГц? Какой длине волны будет соответствовать воспринимаемый им звук в воздухе? 2. На каких клинических явлениях основан клинический метод исследования – перкуссия, т.е. исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков? 3. Обычно амплитуда колебаний давления в слуховых путях превышает амплитуду тех колебаний, которые наблюдались бы в данном месте звукового поля при отсутствии человека. Чем можно обьяснить это явление? 4. Барабанная перепонка в норме имеет неправильную форму и неравномерное натяжение на различных участках. Как это влияет на восприятие звуковых колебаний в диапазоне слышимых частот? 5. Определить резонансную частоту наружного слухового прохода, если его можно сравнить с закрытой с одного конца органной трубой длиной около 2,75 см. 6. Определить величину смещения барабанной перепонки уха человека на пороге слышимости для звука частотой 1 кГц, если максимальные скорости смещения перепонки и частиц воздуха одинаковы и равны 510 -6 см/с. Сравнить величину смещения барабанной перепонки с размерами атома. 7. Почему при ультразвуковой терапии необходимо избегать воздушной прослойки между излучателем ультразвука и обтекаемыми участками тела? 8. Почему наиболее целесообразно в качестве промежуточных передающих сред между источником ультразвука и облучаемой тканью использовать парафиновое масло или воду? 9. В определенном диапазоне частот (700 – 800 Гц) барабанная перепонка работает почти как идеальный приемник звука, т.е. звуковые волны, поступающие в слуховые пути, от нее почти не отражаются. При каком условии возможно такое явление? 173 10. Волновое сопротивление мышечной ткани человека равно 1,6310 6 Па с/м. Определить скорость распространения ультразвука в мышечной ткани, если ее плотность 1060 кг/м 3 Ответы на задачи 1. Да, 34 см. 2. При исследовании на мягких пластичных тканях звук поглощается и затухает, на упругих тканях наблюдается резонанс в перкуторном звуке тона, соответствующего их собственной частоте. Резонируют полости тела, наполненные воздухом, кости, эластичные перепонки. 3. Это объясняется концентрацией звуковой энергии и резонансными явлениями, возникающими в слуховых путях. 4. Барабанная перепонка не имеет собственного периода колебаний. Это свойство исключает ее резонанс в диапазоне воспринимаемых звуков. 5. 3 кГц. 6. Х 0 = v max /2 v = 0,8 10 -9 (см). Эта величина меньше диаметра атома, равного 10 -8 см. 7. Из-за разных волновых сопротивлений сред ультразвук отражается от границы раздела и энергия ультразвука не поступает в облучаемую ткань. 8. Волновые сопротивления этих сред мало отличаются от акустических сопротивлений ткани, и звуковая энергия почт не отражается от границ раздела сред. 9. В диапазоне частот 700 – 800 Гц воздух и барабанная перепонка имеют одинаковые волновые сопротивления. 10. 1538 м/с. 174 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Баскаков с соавт. Методы эмиссионного спектрального анализа в биофизике. – Томск: СибГМУ, 2006. – 83 с. 2. Капилевич Л.В. Методы функционально-диагностических исследований. – Томск: СибГМУ, 2005. – 154 с. 3. Ремизов А.И. Медицинская и биологическая физика: Учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2003. – 560 с. 4. Рубин А.Б. Биофизика.1-2 том. М.Изд-во МГУ, 2004 (448+469 с.). 5. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. – СПб.: СпецЛит, 2004. – 496 с. 175 ЛЕКЦИИ ПО БИОФИЗИКЕ Учебно-методическое пособие Под редакцией проф. Баскакова М.Б. И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова Макет издания подготовлен в Центре дистанционного образования СибГМУ Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии СибГМУ Заказ №___Тираж_____экз |