Наслаждайтесь. лекции осень. Системный подход в физиологии
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ФИЗИОЛОГИИ Основные вопросы: Физиология – наука о жизнедеятельности организма как целого. Физиологическая функция и ее мультипараметрическая характеристика. Методы исследования в физиологии: острый и хронический эксперименты. Аналитический и системный подходы к изучению физиологических функций. Теория функциональных систем организма по П.К. Анохину. Физиология – это наука о жизнедеятельности здорового организма в его взаимодействии с внешней средой, изучающая процессы и функции клеток, тканей, органов, систем и организма в целом, а также механизмы их регуляции. Физиология исследует жизнедеятельность здорового организма. Согласно определению ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения), здоровье – это полное физическое, душевное и социальное благополучие человека, а не только отсутствие болезней и физических дефектов. Состояние индивидуального здоровья, при котором процесс самосохранения и саморазвития биологических, физиологических и психических функций организма обеспечивает оптимальную социально-трудовую активность и естественную продолжительность жизни современного человека и его последующих поколений, называют физиологической нормой. Физиология изучает жизнедеятельность здорового организма в его взаимодействии с внешней средой, из которой он получает энергию, необходимые химические вещества и информацию. Среда обитания – это совокупность условий существования живых организмов. Выделяют внешнюю и внутреннюю среду. Внешняя среда – это комплекс факторов, находящихся вне организма, но необходимых для его жизнедеятельности. Внутренняя среда – это совокупность биологических жидкостей, омывающих клетки и принимающих участие в процессах обмена веществ и энергии. Проявлениями жизнедеятельности организма являются физиологические процессы и функции, которые позволяют ему адаптироваться (приспособиться) к изменениям окружающей среды или приспособить окружающую среду для удовлетворения своих потребностей. Физиологический процесс – это последовательная смена явлений или состояний в развитии совокупности действий, направленных на достижение определенного результата. Физиологическая функция – это форма специфической деятельности организма, которая завершается достижением полезного для организма результата. Физиологическую функцию можно выразить математической формулой: y = f (x), где у – физиологическая функция или результат деятельности, х – раздражение, f – физиологический механизм, с помощью которого достигается определенный результат деятельности. Любая физиологическая функция может быть охарактеризована множеством параметров (показателей). Выделяют шесть основных параметров физиологической функции: интенсивный, экстенсивный, мощность, коэффициент полезного действия (КПД), временные характеристики, биоритмы. Интенсивный параметр характеризует уровень напряжения любой формы, любой энергии и выражается в абсолютных значениях физиологической функции или физиологических констант (величина артериального давления, температуры тела, концентрации глюкозы в крови и т. д.). Экстенсивный параметр характеризует потоковые характеристики функции и показывает за счет взаимодействия каких процессов достигается интенсивный параметр. (Например, температура тела человека определяется взаимодействием двух разнонаправленных процессов: теплопродукции и теплоотдачи). Мощность – это работа, совершенная в единицу времени. КПД – это отношение энергии, затраченной на выполнение полезной работы, ко всей затраченной энергии. Временные характеристики включают в себя первую производную – скорость протекания физиологических процессов и вторую производную – их ускорение. Биоритмы – это периодические, циклически повторяющиеся, изменения физиологических функций и метаболизма. Различают четыре основных вида биоритмов: часовые, суточные, месячные, сезонные. Часовой ритм отражает периодические изменения моторной и секреторной функций желудочно-кишечного тракта у человека в состоянии физиологического голода, проявляющиеся в виде чередования периодов «работы» (усиления моторной и секреторной активности ЖКТ) и периодов «покоя» (прекращения моторики и секреции). Суточный ритм отражает периодические изменения обменных процессов и физиологических функций, связанные со сменой дня и ночи, проявляющиеся в снижении температуры организма, интенсивности метаболизма и физиологических функций в ночное время и их повышении в дневное время суток. Месячный ритм отражает изменения уровня половых гормонов в крови и физиологических функций в организме женщин, связанные с овариально-менструальным циклом, на протяжении лунного месяца. Сезонный ритм отражает изменения обменных процессов и физиологических функций, связанные с сезонами года (весной, летом, осенью, зимой). Параметры физиологической функции могут изменяться под влиянием регулирующих механизмов. Под регуляцией понимают изменение физиологической функции, обеспечивающее определенную деятельность живой системы или, напротив, устойчивость функции и физиологических констант к действию раздражителей. Механизм – это способ регулирования процесса или функции. Различают три основных вида механизмов регуляции физиологических функций: местные, периферические и центральные. Живой организм является открытой термодинамической системой, которая находится в стационарном состоянии. Открытая система означает, что организм обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Стационарное состояние означает, что параметры живой системы существенно не меняются на протяжении длительного времени. Относительное постоянство внутренней среды организма и устойчивость физиологических функций называют гомеостазом. Если показатели гомеостаза резко нарушаются, то есть выходят за пределы колебаний динамических диапазонов, определяющих оптимальное протекание метаболизма, то это приводит к нарушению физиологических функций и развитию болезни. Для изучения физиологических функций используют: клинические методы исследования, которые проводятся на человеке, эксперименты, которые выполняются на животных. Различают два вида экспериментов: острый и хронический. Острый эксперимент характеризуется: отсутствием необходимости соблюдения правил асептики и антисептики во время предшествующей эксперименту хирургической операции, проведением исследования во время или сразу после операции, эвтаназией – гибелью животного после завершения эксперимента, которая обеспечивается путем безболезненной для животного передозировки наркоза. Хронический эксперимент характеризуется: 1) необходимостью соблюдения правил асептики и антисептики во время предшествующей эксперименту операции, проведением исследования после выздоровления животного, многократным изучением физиологической функции органа или его части, имеющих нормальное кровоснабжение и иннервацию, то есть в нормальных условиях целостного организма. Метод острого эксперимента лежит в основе аналитического подхода к изучению физиологических функций. С помощью аналитического подхода исследуют функции отдельных органов, тканей, клеток, субклеточных структур и молекул. Метод хронического эксперимента является основой системного подхода к изучению физиологических функций. С помощью системного подхода изучают физиологические функции в их связях и взаимодействиях с другими функциями целостного организма. Кибернетическая система – это организованный комплекс взаимодействующих друг с другом элементов, которые обеспечивают выполнение функции в соответствии с определенной программой. В данном определении системы отсутствует понятие системообразующего фактора, обеспечивающего формирование динамического, циклически замкнутого комплекса взаимо-со-действующих друг другу элементов, функционирующих по принципу саморегуляции. Функцию системообразующего фактора в организме выполняет полезный приспособительный результат (ППР), который является центральным звеном любой функциональной системы. Понятие системообразующего фактора в физиологию ввел П.К. Анохин, который создал теорию функциональных систем организма. Функциональная система – это сложный динамический, саморегулирующийся и самообразующийся комплекс, состоящий из центральных и периферических элементов, которые взаимо-со-действуют друг другу в процессе достижения полезного для организма приспособительного результата, обеспечивающего нормальное течение метаболизма. Выделяют пять основных звеньев функциональной системы: ППР, рецепторы результата, обратная афферентация, нервный центр, исполнительные механизмы. ППР – это любая полезная для организма деятельность, функция, обеспечивающая возможность адаптации живой системы к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. ППР является центральнымзвеном и системообразующим фактором функциональной системы, который обеспечивает формирование динамической, циклически замкнутой организации взаимо-со-действующих друг другу центральных и периферических элементов, функционирующих по принципу саморегуляции. Различают три вида ППР: гомеостатические, поведенческие, социальные. Гомеостатические результаты обеспечивают поддержание физиологических констант внутренней среды организма на оптимальном для метаболизма уровня с помощью внутреннего звена саморегуляции, то есть с помощью специальных механизмов, расположенных внутри организма – без активного взаимодействия организма с факторами окружающей среды. Результаты поведенческой деятельности обеспечивают поддержание физиологических констант внутренней среды организма на оптимальном для метаболизма уровне с помощью внешнего звена саморегуляции, включающего специальное поисковое и добывательное поведение, завершающееся активным взаимодействием со специфическими факторами внешней среды. Результаты социальной деятельности человека направлены на удовлетворение социальных потребностей. (К социальным результатам деятельности человека относят образование, элементы культуры, труд). Рецепторы результата – это датчики (рецепторы), воспринимающие параметры ППР. Обратная афферентация – это компонент функциональной системы, обеспечивающий передачу информации о параметрах ППР в нервный центр нервным или гуморальным путем. Нервный центр – это избирательное объединение нервных элементов, расположенных на разных этажах ЦНС, которые охватываются возбуждением для обеспечения быстрой, точной и строго координированной регуляции определенной физиологической функции. Исполнительные механизмы – это звено функциональной системы, состоящее из соматических, вегетативных и гуморальных компонентов, которые в совокупности составляют собственно целенаправленное поведение, обеспечивающее достижение ППР. Объединение всех узловых механизмов в функциональную систему определяется полезным приспособительным результатом. Любое изменение ППР воспринимается специализированными рецепторами. Информация о параметрах ППР с помощью обратной афферентации (нервным и гуморальным путем) поступает в нервный центр, который избирательно запускает механизмы, обеспечивающие приспособительную деятельность организма, направленную на достижение ППР. Таким образом, функциональная система работает по кибернетическому принципу саморегуляции, в соответствии с «золотым правилом» П.К. Анохина, согласно которому «всякое отклонение функции от нормы является причиной возвращения функции к норме». БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ЖИВЫХ ТКАНЯХ Основные вопросы: Современные представления о строении и функции клеточных мембран и ионных каналов. Состояния покоя и деятельности. Ионная асимметрия. Характеристика пассивного и активного транспорта. Мембранный потенциал покоя (МПП) и его механизм. Возбуждение и его виды. Местное возбуждение, его ионные механизмы и свойства. Самым быстрым и эффективным способом обмена информацией в живом организме является ее передача с помощью электрических сигналов (нервных импульсов). В процессе эволюции животного мира появились высокоспециализированные ткани – нервная, мышечная и железистая, обладающие способностью генерировать биопотенциалы при их раздражении. Поэтому их относят к возбудимым тканям. Соединительная ткань не способна генерировать биопотенциалы и поэтому является невозбудимой. Строение клеточной мембраны и ионных каналов Клеточная мембрана состоит из трех слоев: наружного белкового слоя, среднего билипидного слоя, внутреннего белкового слоя. Средний слой мембраны состоит из двойного ряда молекул фосфолипидов, гидрофильные головки которых обращены к наружному и внутреннему слоям клеточной мембраны, а гидрофобные концы - друг к другу (к центру мембраны). Билипидный слой мембраны насквозь пронизывают белковые молекулы, которые образуют стенки ионных каналов, обладающих селективностью – способностью избирательно пропускать определенные ионы. С наружной стороны ионного канала, обращенной к межклеточной жидкости, расположен селективный фильтр, обеспечивающий избирательную проницаемость мембраны для различных ионов в зависимости от их размеров и зарядов. С внутренней стороны ионного канала, обращенной к цитоплазме, располагается воротное устройство (воротный механизм), регулирующее величину потока иона, проходящего через ионный канал. В жидком липидном слое мембраны находится и свободно плавает специальный положительно заряженный аппарат, чувствительный к изменению внутримембранного электрического поля – сенсор напряжения, который обеспечивает открытие или закрытие воротного устройства. При действии раздражителя на клеточную мембрану происходит изменение внутримембранного электрического поля, которое воспринимает свободно плавающий в жидком липидном слое сенсор напряжения. В результате этого он приближается к воротному устройству. А поскольку сенсор напряжения заряжен положительно, он экранирует (нейтрализует) отрицательные заряды белковых молекул в области воротного устройства ионного канала. При этом происходит изменения конформации (пространственного расположения) белковых молекул в области воротного устройства, ионный канал открывается и начинает пропускать ионы. Ионный канал может находиться в двух состояниях: закрытом или открытом. Поэтому проницаемость мембраны для иона определяется количеством открытых ионных каналов. В клеточных мембранах содержатся натриевые, калиевые, кальциевые ионные каналы, а также каналы, пропускающие анионы хлора. Наибольшей селективностью обладают калиевые каналы, которые практически непроницаемы для ионов натрия. Живая клетка может находиться в двух состояниях: 1) в состоянии относительного покоя, когда на нее не действуют раздражители, и 2) в состоянии деятельности (возбуждения), когда на клетку действуют раздражители. Состояние покоя характеризуется поляризацией клеточной мембраны и мембранным потенциалом покоя (МПП). Состояние деятельности характеризуется двумя электрическими процессами: 1) деполяризацией клеточной мембраны (уменьшением величины МПП) и 2) реполяризацией мембраны (возвращением мембранного потенциала к уровню МПП). Поляризация – это наличие противоположных зарядов на внутренней и наружной сторонах мембраны клетки, находящейся в состоянии покоя. В состоянии покоя внутренняя сторона клеточной мембраны и цитоплазма заряжены электроотрицательно (-60-90 мВ) по отношению к положительно заряженной наружной стороне мембраны и омывающей ее межклеточной жидкости, потенциал которых условно принимают за нуль. Если в цитоплазму клетки, находящейся с состоянии покоя, ввести стеклянный микроэлектрод, заполненный 3 М раствором КCl (с диаметром кончика 0,5 мкм), а к наружной стороне клеточной мембраны приложить макроэлектрод и присоединить оба электрода к входу усилителя биопотенциалов, то в момент прокола мембраны микроэлектродом (и его поступления в цитоплазму) луч на экране осциллографа резко сместится вниз и установится на уровне –60-90 мВ, который отражает величину мембранного потенциала покоя. Существующую в покое относительную разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны называют мембранным потенциалом покоя (МПП). У большинства нервных клеток мембранный потенциал покоя колеблется в пределах от –60 до –80 мВ. У исчерченных мышц локомоторного аппарата величина МПП выше и достигает –90 мВ. Величина МПП измеряется по модулю (то есть по абсолютному значению), а отрицательный знак перед значением МПП указывает на то, что микроэлектрод, введенный в цитоплазму, регистрирует величину ее электроотрицательности относительно положительно заряженной поверхности наружной стороны мембраны. Величина потенциала мембраны определяется тремя факторами: зарядом транспортируемых ионов через мембрану (положительным или отрицательным); величиной потока ионов, проходящих через ионный канал; направлением потока ионов (движением их в клетку или из клетки). |