зеленый практикуп по фозиологии. Руководство к практическим занятиям по дисциплинам Нормальная физиология иФизиология челюстнолицевой области
 Скачать 1.51 Mb.
|
|
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНТСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ» Руководство к практическим занятиям по дисциплинам «Нормальная физиология» и «Физиология челюстно-лицевой области» Учебно-методическое пособие под редакцией академика РАМН М.А. Медведева Томск Сибирский государственный медицинский университет 2010 2 УДК 612.0 : 612.31(075.8) Р 851 Авторы: проф., д-р мед. наук. Рудин И.В., доценты: канд. биол. наук Студницкий В.Б., канд. биол. наук Егорова М.В., канд. биол. наук Полякова И.П., канд. мед. наук Бармин В.Ю., канд. биол. наук Кротенко Н.М., канд. биол. наук Князева И.Р.; старшие преподаватели: канд. мед. наук Кочурина Н.А., канд. мед. наук Коноваленко Ю.А.; ассистент Антонов О.И. Рецензенты: В.И. Киселев чл.-корр. РАМН, проф., д-р мед. наук зав. каф. нормальной физиологии Алтайского государственного медицинского университета, Ю.И. Савченков проф., д-р мед. наук зав. каф. нормальной физиологии Красноярской медицинской академии Руководство к практическим занятиям по дисциплинам «Нормальная физиология» и «Физиологии челюстно-лицевой области»: учебно-методическое пособие / под ред. М.А. Медведева. – Томск: СибГМУ, 2010 – 401 с. В данном пособии отражена методология проведения практических занятий по нормальной физиологии и физиологии челюстно-лицевой области на стоматологических факультетах медицинских вузов. Пособие составлено в строгом соответствии с учебными программами по дисциплинам «Нормальная физиология» и «Физиология челюстно-лицевой области», по специальности 060105 – «стоматология». Отдельно вынесен дополнительный материал по дисциплине «Физиология челюстно-лицевой области», включающий список профильных вопросов, и приложение с кратким теоретическим материалом, таблицами и схемами. Учебно-методическое пособие предназначено для преподавателей стоматологических факультетов медицинских вузов. УДК 612.0 : 612.31(075.8) Утверждено и рекомендовано к печати учебно-методической комиссией педиатрического факультета (протокол №1 от 24.02.09) и Центральным методическим советом ГОУ ВПО СибГМУ Росздрава (протокол №3 от 09.04.09) Сибирский государственный медицинский университет, 2010 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Коллективом сотрудников нашей кафедры в 2003 году было разработано и издано пособие для преподавания нормальной физиологии на врачебных факультетах медицинских вузов. Однако это пособие было написано из расчета 4-5 часовых занятий. Преподавание физиологии на стоматологическом факультете имеет свои особенности: малая продолжительность занятий, короткий лекционный курс. Ограниченное время занятий предполагает еще большую четкость и последовательность в проведении занятия, с конкретным расписанием. Только в этом случае возможно усвоение студентами обширного материала. С этих позиций и с учетом специфики стоматологического факультета разработано данное пособие. Однако строгий регламент не исключает индивидуального творческого подхода каждого преподавателя, пособие носит рекомендательный характер. В помощь преподавателю предлагается приложение, в котором освещены профильные для стоматологического факультета вопросы. Надеемся, что особо полезным это пособие станет для начинающих преподавателей. Заведующий кафедрой нормальной физиологии СибГМУ, академик РАМН Михаил Андреевич Медведев. 4 РАЗДЕЛ: ФИЗИОЛОГИЯ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ ЗАНЯТИЕ №1 ТЕМА: СТРОЕНИЕ И РОЛЬ ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ КЛЕТОК. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ ПЛАЗМАТИЧЕСКУЮ МЕМБРАНУ 1. Продолжительность занятия - 2 часа. 2. План и организация занятия. 1. Подготовительный этап занятия: а) организационные мероприятия - 5 мин. б) проверка и коррекция исходного уровня знаний, посредством разбора материала в устной форме или с использованием электронного учебника - 20 мин. 2. Основной этап занятия: а) выполнение практических работ - 20 мин. б) запись протокола исследования - 15 мин. в) анализ результатов исследования - 10 мин. 3. Конечный этап занятия: а) контроль конечного уровня усвоения учебного материала тестовым контролем или решением ситуационных задач - 20 мин. 3. Учебные цели занятия: ЗНАТЬ: 1. Роль, значение и функции плазматической мембраны клеток. 2. Молекулярный состав клеточных мембран. 3. Классификацию, строение и роль липидов, входящих в состав бимолекулярного слоя. 5 4. Процесс самосборки бимолекулярного слоя плазматических мембран. 5. Образование и роль лизоформ фосфолипидов в формировании бислоя. 6. Классификацию и функцию белков плазматической мембраны. 7. Классификацию и функцию углеводов плазматической мембраны. 8. Классификацию и виды транспорта веществ через плазматическую мембрану. 9. Роль транспорта веществ через плазматическую мембрану в функции клеток. 10. Роль и характеристику прямого транспорта веществ. Механизм транспорта Н 2 О. 11. Роль и характеристику облегченной диффузии. 12. Роль и характеристику активного и вторично-активного транспорта. 13. Роль и значение эндо- и экзоцитоза. УМЕТЬ: 1. Рисовать схемы строения и организации липидов, белков, углеводов, входящих в состав плазматической мембраны. 2. Рисовать схемы образования бислоя. 3. Рисовать схемы транспорта веществ через плазматические мембраны. 4. Рисовать кривые кинетики транспорта различных веществ через плазматическую мембрану. 4. Методика проведения занятия: 1.Подготовительный этап занятия. В начале занятия следует сформулировать его цель и задачи, что студенты должны знать и уметь по окончанию занятия. В 6 соответствии с этим, необходимо объяснить студентам, что знание материала этой темы потребуется для понимания значения роли плазматической мембраны в механизмах функционирования всех клеток организма, а особенно они важны при изучении физиологических свойств и особенностей нервной, мышечной и секреторной тканей. Знание особенностей строения и видов транспорта через плазматическую мембрану позволит студентам объяснить происхождение и поддержание на должном уровне основных констант клеток, механизмов действия гормонов, медиаторов и лекарственных веществ, развитие процессов возбуждения и торможения в клетках организма и выполнение других специфических функций. Все полученные знания будут необходимы при изучении других разделов физиологии, при обучении на последующих теоретических и клинических кафедрах. Следует обратить внимание студентов на то, что в настоящее время основные исследования в мире в области физиологии проводятся на клеточном, мембранном или молекулярном уровне, что без знания этих разделов невозможно объяснить и понять причины различных заболеваний и проводить необходимую терапию. Основную часть подготовительного этапа занятия необходимо посвятить контролю исходного уровня знаний студентов путем устного или тестового опроса. 2. Основной этап занятия. Этот этап занятия следует посвятить разбору и коррекции исходного уровня знания студентов, с учетом проведенного контроля. С этой целью рекомендуется провести устный разбор материала по основным вопросам занятия и предложить студентам написать и нарисовать основные формулы, графики и схемы. В процессе разбора 7 учебного материала необходимо выяснить все вопросы занятия, записать основные понятия и формулировки, зарисовать в отчеты схемы, графики и формулы. При этом студенты могут пользоваться любой учебной литературой: учебниками, справочниками, атласами, электронным учебником и другими источниками информации. Практическая часть: Работа с компьютерной моделью возбудимой клетки. Знакомство с программой. Моделирование различной проницаемости мембраны. Выполнение работ с использованием виртуального практикума. 3. Заключительный этап занятия. На этом этапе занятия проводится контроль конечного уровня знаний студентов, для чего рекомендуется использовать либо тестовый контроль знаний, либо решение ситуационных задач. В заключение занятия преподаватель проверяет и подписывает отчеты студентов, задает задания для самостоятельной подготовки к следующему занятию. 5. Ситуационные задачи для определения конечного уровня знаний студентов: Задача №1. Будет ли нарушаться барьерная функция клеточных мембран при увеличении в ее бислое лизоформ фосфолипидов? Эталон ответа. Барьерная функция билипидного слоя плазматической мембраны будет нарушена для ионов и мелких органических веществ, за счет того, что лизоформы фосфолипидов будут формировать дополнительные поры в мембране. Такое явление наблюдается при действии ионизирующего облучения, действии лекарственных 8 веществ и некоторых заболеваниях, связанных с увеличением процесса свободнорадикального перекисного окисления. Задача №2. Чем определяется гидрофобность и гидрофильность липидов, входящих в состав клеточных мембран? Эталон ответа. Гидрофильность или гидрофобность липидов определяется наличием в них полярных и неполярных участков. Полярные участки способны образовывать водородные связи с диполями молекул воды и, за счет этого, растворяться в них, т.е. обладают гидрофильностью. Неполярные участки липидов отталкиваются от дипольных молекул воды, так как не могут формировать связи, т.е. обладают гидрофобностью. Многие липиды, в частности фосфолипиды, имеют как полярные участки (головки), так и неполярные участки (хвосты), т.е. обладают амфифильностью. Задача №3. Какие вещества хорошо растворяются в билипидном слое плазматических мембран? Эталон ответа. Хорошей растворимостью в билипидном слое плазматических мембран обладают вещества, которые являются неполярными и, поэтому, хорошо жирорастворимыми. Жирорастворимость вещества определяется коэффициентом распределения между липидной и водной фазами. Наличие одной водородной связи между веществом и водой снижает коэффициент распределения в 40 раз. Задача №4. Назовите основные остатки спиртов, входящих в состав фосфоглицеридов? 9 Эталон ответа. Считается, что основными спиртами, входящими в состав головок фосфоглицеридов, являются: холин, этаноламин, серин и инозитол. Задача №5. Как будут вести себя в водной среде молекулы фосфолипидов? Эталон ответа. В водной среде эти молекулы самоорганизуются в термодинамически выгодные структуры, в которых их гидрофильные полярные головки взаимодействуют с молекулами воды, а гидрофобные углеводородные цепи, отталкиваемые водой, взаимодействуют друг с другом, как в капле жира. При этом происходит образование сплошного бимолекулярного фосфолипидного слоя, который стремится замкнуться сам на себя, чтобы спрятать гидрофобные участки фосфолипидных молекул от воды, образуя фосфолипидные везикулы - липосомы. Задача №6. Способны ли липиды совершать движение в билипидном слое плазматических мембран? Эталон ответа. Липиды в бислое плазматических мембран совершают перемещения в основном 3 типов: 1. латеральные перемещения в плоскости мембраны со скоростью до 5 мкМ/сек. 2. вращательные движения вокруг своей оси со скоростью поворота 1 радиан за 9-10 секунд. 3. трансмембранные перемещения по типу “флип-флоп” перескоков, которые совершаются довольно редко. 10 При физиологических температурах плазматический бислой напоминает бушующее море липидов, что, в свою очередь, обеспечивает высокую скорость ферментативных и других химических процессов в фосфолипидном слое мембраны, со временем полужизни ее компонентов от 15 до 100 часов. Задача №7. Какой тип химических связей обеспечивает взаимодействие между неполярными углеводородными хвостами липидов? Эталон ответа. Если полярные головки липидов взаимодействуют с молекулами воды посредством водородных связей, то неполярные хвосты этих молекул взаимодействуют внутри бислоя, преимущественно, посредством вандервальсовых сил. Задача №8. Способны ли интегральные белки перемещаться в бислое плазматических мембран? Эталон ответа. Интегральные белки плазматических мембран совершают в основном латеральные (до 0,5мкм/с) и вращательные (1радиан за 10 -5 секунды) перемещения и, очень редко, трансмембранные перемещения. Перемещения в латеральной плоскости и вокруг своей оси ограничиваются не только липидным окружением, но, вследствие притяжения между собой функционально связанных белков, образованием кластеров. Это, в конечном итоге, приводит к мозаичному распределению белков в липидном матриксе. Кроме этого, некоторые белки практически неподвижны, так как закреплены на структурных белках цитоскелета мембран и клеток. Считается, что 11 время полужизни мембранных белков составляет в среднем около 70 часов. Задача №9. Какова роль липидов в проявлении функциональной активности интегральных белков? Эталон ответа. Считается, что интегральные белки проявляют свою активность только в том случае, если они находятся внутри гидрофобной части бислоя мембран, где они приобретают необходимую для проявления своей активности пространственную - спиральную конфигурацию. За немногим исключением, гидрофобные участки интегральных белков связываются с окружающими их липидами нековалентно и собирают вокруг себя специфические липиды в форме “воротника” или ореола. Изменение количества липидов в ореоле ведет к изменению пространственной конфигурации функциональной активности белков. Задача №10. Влияет ли на липидный состав мембран характер питания человека? Эталон ответа. Влияет, и существенным образом. Так увеличение в пище жирных кислот с ненасыщенными связями увеличивает более жирное состояние липидов мембран клеток различных тканей, изменяет соотношения фосфолипидов к сфинголипидам, липидов к белкам и приводит к улучшению функции мембраны клеток. Избыток холестерина в пище приводит к увеличению его содержания в мембранах, что сопровождается увеличением микровязкости бислоя, понижению скорости диффузии некоторых веществ через мембрану в клетку, что отрицательно сказывается на функции клеток. В тоже 12 время, дефицит жирных кислот и холестерина в пище нарушает липидный состав мембран и функцию клеток. Задача №11. Оказывают ли витамины свое влияние на липиды бислоя? Эталон ответа. Витамины А, Е, С, Р и группы В улучшают обмен липидов в мембране клеток, снижают их микровязкость, регулируют активность различных ферментов, регулирующих обмен липидов в мембранах, улучшают диффузию веществ через мембрану. Так, в эритроцитах, это приводит к повышению эластичности мембраны, что повышает их транспортную функцию. Задача №12. Опишите возможные механизмы, с помощью которых вода проникает через плазматическую мембрану. Эталон ответа. В основе аномально высокой проницаемости плазматической мембраны для полярных молекул воды лежат две основных причины. Во-первых, наличие фиксированных водных каналов, которые могут быть образованы интегральными белками - аквапоринами. Во-вторых, наличие лабильных водных каналов, которые могут образовываться между углеводородными цепями липидных молекул бислоя в результате их тепловых флуктуаций. Вода проходит через мембраны под действием осмотического давления, создаваемого активным транспортом солей. Данных о наличии истинно активного транспорта воды нет. Задача №13. 13 Какие данные свидетельствуют о справедливости модели липидного бислоя плазматических мембран? Эталон ответа. В пользу липидного бислоя мембран свидетельствуют следующие данные: 1. Содержание липидов в мембране согласуется с концепцией бислоя, что впервые было показано Гортером и Гренделом (1925 г.). 2. Проникающая способность неэлектролитов соответствует их коэффициенту распределения в системе масло/вода, т.е. чем выше сродство молекул к липидной фазе, по сравнению с водой, тем легче они проходят через мембрану. 3. Электрическая емкость плазматических мембран (10 -6 ф/см 2 ) примерно равна емкости липидного слоя толщиной в две фосфолипидных молекулы, расположенных “конец в конец” (т.е. 6-7,5 нМ). 4. Толщина липидного слоя, определяемая как удвоенная длина одной молекулы мембранного липида, примерно равна толщине внутреннего слабоконтрастного слоя (7,5 нМ) модели элементарной мембраны Д. Робертсона (1955 г.), видимой на электронных микрофотографиях. 5. Электронно-микроскопические исследования, с применением метода замораживание-скалывание и замораживание-травление, показывают, что плоскость скола проходит обычно посередине мембраны, согласно представлению о разделении бислоя на два монослоя. 6. Основные свойства искусственных липидных бислоев в основном аналогичны соответствующим свойствам клеточных мембран. Задача №14. 14 Перечислите основные физиологические функции биомембран клетки. Эталон ответа. Бислойные клеточные мембраны формируют не только различные поверхности клеточных органел, но и служат структурным каркасом, на котором протекают различные биохимические превращения. Мембраны ответственны за: 1. Клеточную и субклеточную компартментализацию. 2. Регуляцию состава внутриклеточной среды, опосредуемую селективной проницаемостью и транспортными механизмами. 3. Регуляцию клеточного метаболизма путем контроля за концентрацией кофакторов и субстратов ферментов, а так же активность самих ферментов, которые находятся в упорядоченном состоянии на поверхности мембран или погружены в нее. 4. Рецепцию и передачу различных химических сигналов от поверхностных рецепторов расположенных в мембране. 5. Электрическую активность, ответственную за передачу информации, и/или регуляцию транспорта веществ через мембрану. 6. Эндо - и экзоцитоз. 7. Формирование вне- и внутриклеточных контактов. Задача №15. Чем отличается облегченная диффузия от простой? Эталон ответа. Облегченная диффузия веществ через мембрану осуществляется с участием специализированных белковых переносчиков, за счет чего значительно ускоряется их транспорт. В отличие от простой диффузии, облегченная диффузия характеризуется кинетикой насыщения и укладывается в рамках кинетики Михаэлиса-Менте. Это 15 свидетельствует о том, что число транспортируемых молекул достигает максимума в соединении с существующим числом переносчиков. Кроме этого, транспорт веществ, посредством облегченной диффузии, можно предотвратить действием различных специфических блокаторов. Задача №16. Какие факторы влияют на скорость облегченной диффузии? Эталон ответа. 1. На скорость облегченной диффузии влияют следующие факторы: 2. Разность концентраций переносимого вещества. 3. Разность электрического потенциала для переносимого вещества. 4. Количество в мембране переносчиков. 5. Состояние активности переносчиков. 6. Температура среды. 7. Стерические особенности транспортируемого вещества (L и D изомеры). Задача №17. Какие факторы отличают простую диффузию веществ от облегченной? Эталон ответа. Основными факторами, отличающими простую диффузию веществ от облегченной можно считать: 1. Отсутствие в мембране специализированного белкового переносчика-транспортера. Молекулы растворенного в воде вещества, контактирующие с липидным бислоем, могут погрузиться в липидную фазу в силу теплового движения и пересечь липидный бислой, оказавшись, в конечном итоге, в водной фазе по другую сторону мембраны. Чтобы перейти из водной фазы в липидную, растворенная 16 в воде молекула должна сначала разорвать все водородные связи с водой, около 5 ккал на моль водородных связей. То есть, молекулы, образующие с водой минимальное число водородных связей, будут быстро внедряться в липидный бислой (скорость процесса зависит от температуры). В то же время полярные молекулы, имеющие водородные связи с водой, вряд ли будут растворяться в бислое. 2. Пропорциональность между концентрацией во внеклеточной среде и скоростью проникновения вещества в клетку наблюдается в широком диапазоне концентраций, поскольку результирующая скорость переноса определяется в числе растворенных молекул, соударяющихся с мембраной по разные ее стороны. Эта пропорциональность характеризуется кинетикой без насыщения, в отличие от переноса, осуществляемого через каналы или с помощью переносчиков. Задача №18. Чем активный транспорт веществ, через плазматические мембраны, отличается от облегченной диффузии? Эталон ответа. В отличие от облегченной диффузии, которая осуществляет транспорт веществ за счет потенциальной энергии, запасенной в форме разности концентрации вещества на противоположных сторонах мембраны, активный транспорт веществ обеспечивает перенос через мембрану против концентрационного, а, в некоторых случаях, и против электрического градиентов, обеспечивая неравновесное распределение веществ, и требует метаболической энергии, которая обычно поступает в форме АТФ. Если поступление энергии блокируется ингибитором метаболизма (динитрофенол), то активный транспорт веществ подавляется, и их распределение по обе стороны 17 плазматической мембраны будет определяться процессами пассивной и облегченной диффузии. Системы, с помощью которых осуществляется активный транспорт веществ против их концентрационных градиентов, обобщенно называют мембранными насосами, а способность использовать энергию, высвобождающуюся при гидролизе АТФ ферментами, присутствующими в мембране - АТФазами. При этом АТФазы могут быть как частью насоса, так и существовать отдельно. Наиболее известными и изученными мембранными насосами являются: Na + /K + -насос (Na + /K + -АТФаза), Са 2+ -насос (Са 2+ -АТФаза), H + /K + -насос (H + /K + -АТФаза). ЗАНЯТИЕ № 2. |