Физиология. Исследование механизмов функционирования клеток, тканей, органов, систем органов, организма в целом
 Скачать 28.61 Kb.
|
Предметом физиологии человека является здоровый человеческий организм. Основные задачи:
2. Наблюдение как метод физиологического исследования. Сравнительно медленное развитие экспериментальной физиологии на протяжении двух столетий после работ В. Гарвея объясняется низким уровнем производства и развития естествознания, а также несовершенством исследВажной вехой в развитии экспериментальной физиологии было изобретение кимографа и введение метода графической регистрации артериального давления немецким ученым Карлом Людвигом в 1847 г. Графическая регистрация физиологических процессов. Метод графической регистрации ознаменовал новый этап в физиологии. Он позволил осуществить объективную запись изучаемого процесса, сводившую до минимума возможность субъективных ошибок. При этом эксперимент и анализ изучаемого явления можно было проводить в два этапа. Во время самого опыта задача экспериментатора заключалась в том, чтобы получить высококачественные записи — кривые — килограммы. Анализ полученных данных можно было производить позже, когда внимание экспериментатора уже не отвлекалось на проведение опыта. Метод графической регистрации дал возможность записывать одновременно (синхронно) не один, а несколько физиологических процессов. Довольно скоро после изобретения способа записи артериального давления были предложены методы регистрации сокращения сердца и мышц (Энгельман), введена техника воздушной передачи (капсула Марея), позволившая записывать иногда на значительном расстоянии от объекта ряд физиологических процессов в организме: дыхательные движения грудной клетки и живота, перистальтику и изменение тонуса желудка, кишечника и т. д. Был предложен метод регистрации изменения сосудистого тонуса (плетизмография по Моссо), объема различных внутренних органов — онкометрия и т. д. Исследования биоэлектрических явлений. Чрезвычайно важное направление развития физиологии было ознаменовано открытием «животного электричества». Л. Гальвани показал, что живые ткани являются источником электрических потенциалов, способных воз действовать на нервы и мышцы другого организма и вызывать сокращение мышц. С тех пор на протяжении почти целого столетия единственным индикатором потенциалов, генерируемых живыми тканями (биоэлектрических потенциалов), был нервно-мышечный препарат лягушки. Он помог открыть потенциалы, генерируемые сердцем при его деятельности (опыт Келликера и Мюллера), а также необходимость непрерывной генерации электрических потенциалов для постоянного сокращения мышц (опыт «вторичного тетануса» Маттеуччи). Стало ясно, что биоэлектрические потенциалы — это не случайные (побочные) явления в деятельности живых тканей, а сигналы, при помощи которых в организме передаются «команды» в нервной системе и от нее мышцам и другим органам. Таким образом, живые ткани взаимодействуют, используя «электрический язык».ования физиологических явлений путем их обычного наблюдения. 3. Первоначально представление о функциях организма складывались на основе работ ученых Древней Греции и Рима: Аристотеля, Гиппократа, Галена и других, а так же ученых Китая и Индии. Физиология стала самостоятельной наукой в XVII веке, когда наряду с методами наблюдения за деятельностью организма началась разработка экспериментальных методов исследования. Этому способствовали работы Гарвея, изучающего механизмы кровообращения; Декарта, описывающего рефлекторный механизм. В XIX-XX веках физиология интенсивно развивается. Так, исследования возбудимости тканей провели К. Бернард, Лапик. Значительный вклад внесли ученые: Людвиг, Дюбуа-Реймон, Гельмгольц, Пфлюгер, Бэлл, Пенгли, Ходжкин и отечественные ученые Овсяников, Ниславский, Цион, Пашутин, Введенский. Отцом русской физиологи называют Ивана Михайловича Сеченова. Выдающееся значение имели его труды по изучению функций нервной системы (центральное или сеченовское торможение), дыхания, процессов утомления и другое. В своей работе «Рефлексы головного мозга» (1863г) он развил идею о рефлекторной природе процессов, происходящих в мозге, включая процессы мышления. Сеченов доказал детерминированность психики внешними условиями, т.е. ее зависимость от внешних факторов. Экспериментальное обоснование положений Сеченова осуществил его ученик Иван Петрович Павлов. Он расширил и развил рефлекторную теорию, исследовал функции органов пищеварения, механизмы регуляции пищеварения, кровообращения, разработал новые подходы в проведении физиологического опыта «методы хронического опыта». За работы по пищеварению в 1904 году ему была присуждена Нобелевская премия. Павлов изучал основные процессы, протекающие в коре больших полушарий. Используя разработанный им метод условных рефлексов, он заложил основы науки о высшей нервной деятельности. В 1935 году на всемирном конгрессе физиологов И. П. Павлов был назван патриархом физиологов мира. 7. Основным свойством живых клеток является раздражимость, т. е. их способность реагировать изменением обмена веществ в ответ на действие раздражителей. Возбудимость — свойство клеток отвечать на раздражение возбуждением. К возбудимым относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки. Возбуждение — ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы) и неспецифических реакциях (генерация потенциала действия, метаболические изменения). Одним из важных свойств живых клеток является их электрическая возбудимость, т.е. способность возбуждаться в ответ на действие электрического тока. Высокая чувствительность возбудимых тканей к действию слабого электрического тока впервые была продемонстрирована Гальвани в опытах на нервно-мышечном препарате задних лапок лягушки. Если к нервно-мышечному препарату лягушки приложить две соединенные между собой пластинки из различных металлов, например медь—цинк, таким образом, что бы одна пластинка касалась мышцы, а другая — нерва, то мышца будет сокращаться (первый опыт Гальвани). Детальный анализ результатов опытов Гальвани, проведенный А. Вольта, позволил сделать другое заключение: электрический ток возникает не в живых клетках, а в месте контакта разнородных металлов с электролитом, поскольку тканевые жидкости представляют собой раствор солей. В результате своих исследований А.Вольта создал устройство, получившее название «вольтов столб» — набор по следовательно чередующихся цинковых и серебряных пластинок, раз деленных бумагой, смоченной солевым раствором. В доказательство справедливости своей точки зрения Гальвани предложил другой опыт: набрасывать на мышцу дистальный отрезок нерва, который иннервирует эту мышцу, при этом мышца также сокращалась (второй опыт Гальвани, или опыт без металла). Отсутствие металлических про водников при проведении опыта позволило Гальвани подтвердить свою точку зрения и развить представления о «животном электричестве», т. е. электрических явлениях, возникающих в живых клетках. Окончательное доказательство существования электрических явлений в живых тканях было получено в опыте «вторичного тетануса» Маттеуччи, в котором один нервно-мышечный препарат возбуждался током, а биотоки сокращающейся мышцы раздражал нерв второго нервно-мышечного препарата. В конце XIX века благодаря работам Л. Германа, Э. Дюбуа-Раймона, Ю. Бернштейна стало очевидно, что электрические явления, которые возникают в возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных мембран. 8. Наблюдение биоэлектрических явлений. В конце XVIII в. (1786 г.) профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани провел ряд опытов, положивших начало целенаправленным исследованиям биоэлектрических явлений. В первом опыте, подвешивая препарат обнаженных задних лапок лягушек с помощью медного крючка на железной решетке, Л.Гальвани обнаружил, что всякий раз при касании мышцами решетки они отчетливо сокращались. Л.Гальвани высказал предположение о том, что сокращение мышц является следствием воздействия на них электричества, источником которого выступают «животные ткани» — мышцы и нервы. Однако другой итальянский исследователь — физик и физиолог Вольта оспорил это заключение. По его мнению, причиной сокращения мышц был электрический ток, возникающий в области контакта двух разнородных металлов (медь и железо — гальваническая пара) с тканями лягушки. С целью проверки своей гипотезы Л.Гальвани поставил второй опыт, в котором нерв нервно-мышечного препарата набрасывался на мышцу стеклянным крючком так, чтобы он касался поврежденного и неповрежденного ее участков. В этом случае мышца также сокращалась. Второй опыт Л.Гальвани считается опытом, в котором были получены абсолютные доказательства существования «животного электричества». Б. Регистрация биоэлектрических явленийвпервые осуществлена с помощью гальванометра, одна из клемм которого присоединялась к поврежденному участку мышцы, другая — к неповрежденному [Маттеучи, 1838], при этом стрелка гальванометра отклонялась. Размыкание цепи гальванометра сопровождалось возвращением стрелки гальванометра в прежнее (нулевое) положение. Еще задолго до появления микроэлектродной техники (конец XIX в.) стало ясно, что «животное электричество» обусловлено процессами, происходящими на клеточной мембране (Герман, Дюбуа-Реймон, Бернштейн). В настоящее время достаточно хорошо изучены механизмы формирования мембранного потенциала покоя (ПП) и потенциала действия (ПД), т.е. процесса возбуждения клетки. Потенциал покоя:относительно стабильная разность электрических потенциалов между наружной и внутренней средой клетки. Его величина обычно варьируется в пределах -30…-90мВ.(Скелетная мышца: -90мВ, нейрон -70мВ, гладкая мышца -50…-60мВ, эндотелий -20мВ).При регистрации ПП луч осцилографа во время прокола мембраны клетки микроэлектродом отклоняется и показывает отрицательный заряд внутри клетки. ПП составляет основу для возникновения ПД, влияет на транспорт веществ в клетку и из клетки. Механизм формирования ПП: причиной является неодинаковая концентрация анионов и катионов внутри и вне клетки. В нервных и мышечных клетках концентрация К+ внутри клетки примерно в 40 раз больше, чем вне клетки, концентрация натрия вне клетки в 12 раз больше нежели в клетке. Ионов Cl- вне клетки в 20 раз больше, чем внутри. В клетке имеется небольшое количество ионов Mg2+. Кальций в свободном состоянии находится в основном вне клетки. Он содержится в ЭПР, митохондриях. В клетке находятся так же крупномолекулярные анионы – главным образом, это отрицательно заряженные белковые молекулы(глутамат, аспартат),органические фосфаты. Различные ионы распределены неравномерно по обе стороны клеточной мембраны вследствие 1)ее неодинаковой проницаемости для различных ионов 2) результате работы ионных насосов 3)в результате наличия на клеточной мембране поверхностного заряда. 9. Потенциал покоя. Мембранный потенциал покоя — электрический потенциал между внутренней стороной плазматической мембраны и наружной поверхностью клеточной мембраны. По отношению к наружной поверхности в покое внутренняя сторона мембраны заряжена всегда отрицательно. Для каждого вида клеток потенциал покоя величина практически постоянная. У теплокровных она составляет: в волокнах скелетных мышц — 90 мВ, в клетках миокарда — 80, в нервных клетках и волокнах — 60–70, в секреторных железистых клетках — 30–40, в клетках гладких мышц — 30–70 мВ. Потенциалом покоя обладают все живые клетки, но его величине значительно меньше (например, в эритроцитах — 7–10 мВ). Согласно современной мембранной теории потенциал покоя возникает за счет пассивного и активного движения ионов через мембрану. Пассивное движение ионов осуществляется по градиенту концентрации и не требует затрат энергии. В состоянии покоя клеточная мембрана более проницаема для ионов калия. Цитоплазма мышечных и нервных клеток содержит в 30–50 раз больше ионов калия, чем в межклеточной жидкости. Ионы калия в цитоплазме находятся в свободном состоянии и согласно градиенту концентрации диффундируют через клеточную мембрану во внеклеточную жидкость, в ней они не рассеиваются, а удерживаются на внешней поверхности мембраны внутриклеточными анионами. Внутри клетки содержатся в основном анионы органических кислот: аспарагиновой, уксусной, пировиноградной и др. Содержание неорганических анионов в клетке сравнительно небольшое. Анионы не могут проникать через мембрану и остаются в клетке, располагаясь на внутренней поверхности мембраны. Так как ионы калия имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный, то внешняя поверхность мембраны заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Ионов натрия в 8–10 раз больше во внеклеточной жидкости, чем в клетке, проницаемость их через мембрану незначительно. Проникновение ионов натрия из внеклеточной жидкости внутрь клетки приводит к некоторому уменьшению потенциала покоя. Диффузия внутрь клетки ионов хлора, содержание которых во внеклеточной жидкости в 15–30 раз выше, вызывает некоторое увеличение потенциала покоя. В мембране также существует специальный молекулярный механизм, который обеспечивает активный перенос ионов натрия и калия в сторону их повышенной концентрации и поддерживает ионную ассимметрию. Активный перенос ионов осуществляется в результате деятельности ионного калий-натриевого насоса («помпы»). Активный транспорт ионов натрия из клетки связаны со входом ионов калия в клетку. В сопряженном калий-натриевом насосе движение ионов осуществляется переносчиками, а последние транспортируются с участием метаболитической энергии распада АТФ. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона натрия выводятся наружу, а два иона калия поступают внутрь клетки. В мышечных волокнах в состоянии покоя на обеспечение работы ионных насосов тратится до 20% энергетических ресурсов клетки. Расщепление АТФ происходит под влиянием фермента аденозинтрифосфатазы. Отравление нервных волокон монойодацетатом, цианидами, динитрофенолом и другими веществами, выключающими процессы гликолиза и синтеза АТФ, приводит к снижению содержания АТФ в цитоплазме и прекращению работы натрий-калиевого насоса. Мембрана также проницаема и для ионов CI- (особенно в мышечных волокнах). Распределение ионов хлора по обе стороны мембраны клетки противоположно распределению ионов калия. В клетках с высокой проницаемостью для ионов хлора ионы К+ и CI- в равной степени участвуют в создании потенциала покоя, в других клетках вклад в этот потенциал ионов CI- невелик. Таким образом, свойственный клетке потенциал покоя обусловлен главным образом движением ионов К+ по градиенту концентрации. Потенциал покоя является основой возникновения распространяющегося возбуждения (импульса) в возбудимых тканях. Снижение величины мембранного потенциала (покоя) называется деполяризацией мембраны, а увеличение —гиперполяризацией. 10. Фосфолипиды образуют двойной прерывистый слой. В этот слой включены белки, полярные группы которых сохраняют контакт с водной фазой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь, другие погружены в липидный бислой наполовину. Часть белков связана друг с другом; другие в большей или меньшей степени окружены липидами. Одни из них являются ионными каналами, другие содержат боковые цепи гликозаминогликанов. Гликокаликс. Поверхность мембраны покрыта гликокаликсом — трехмерной сетью нитей гликозаминогликанов, соединенных между собой при помощи кальциевых мостиков. Гликокаликс обеспечивает механическую прочность мембраны, участвует в межклеточных взаимодействиях, рецепции, иммунологическом дифференцировании, разделяет молекулы веществ, контактирующих с клеткой, по величине и заряду. Липиды. Молекулы липидов, образующих бислой, амфотерны. Своими гидрофильными головками они обращены в сторону водных фаз (межклеточная жидкость и цитоплазма) и формируют внешнюю и внутреннюю поверхности мембраны. Важнейшей особенностью мембранных липидов является способность к перекисному окислению (ПОЛ) с образованием свободных радикалов. Белки. Функциональное отличие мембраны одной клетки от мембраны другой определяется наличием в ней специфических мембранных белков. Белки, погруженные в фосфолипидный слой и пронизывающие его насквозь, называются внутренними мембранными белками, или белковыми каналами. Другие белки — периферические — прикреплены к поверхности клетки. С учетом выполняемых функций мембранные белки всех клеток делят на 5 классов: белки-насосы, белки-каналы, белки-рецепторы, ферменты и структурные белки. Функции мембран. Важнейшими функциями клеточных мембран являются барьерная, биотрансформирующая, транспортная, рецепторная, генерация электрических потенциалов и образование межклеточных контактов. Белки-каналы представляют собой пути избирательного переноса ионов и заряженных молекул. Механизм переноса связан с конформацией белка-канала, в результате которой он открывается или закрывается. Каналы в зависимости от скорости их активации и переноса ионов делят на быстрые (например, натриевые) и медленные (например, калиевые, кальциевые). Для каждого из переносимых через мембрану вида ионов существуют самостоятельные транспортные системы — ионные каналы (натриевые, калиевые, кальциевые, каналы для хлора), основные свойства и механизмы действия которых сходны. Ионные каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы – и воротный механизм. Заполнены жидкостью, их размеры 0,3-0,8нм. Если заряд канала противоположен заряду иона, то он притягивается. Ионы, проходя через канал должны избавится от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше размеров канала.Через ионные каналы могут проходить и не заряженные частицы. Na/K насос. Является электрогенным, т.к за один цикл из клетка выводится 3 иона Na, а возвращаются в клетку 2 иона К. на один цикл работы насоса расходуется одна молекула АТФ. Na/K насос представляет собой интегральный белок, пронизывающий всю толщу клеточной мембраны. Он состоит из 4 полипептидов, имеет центры связывания натрия и калия. В положении белка-переносчика, обращенного стороной связывания ионов натрия внутрь клетки, увеличивается сродство их к Na+. В результате чего к трем участкам переносчика присоединяются три иона Na+. В результате этого активируется АТФаза, обеспечивающая гидролиз АТФ и высвобождение энергии, которая расходуется на изменение конформации белка, при этом его сторона, связанная с тремя натриями, обращается наружу клеточной мембраны. Теперь белок теряет сродство к Na+, последний отщепляется от него, а белок-помпа(переносчик) приобретает сродство к К+. Это снова ведет к изменению конформации переносчика: Сторона, связанная с К+, обращается внутрь клетки, в результате чего белок теряет сродство к ионам калия и отщепляется, а белок-переносчик снова приобретает сродство к Na+ это один цикл работы. 11. |