Введение в физиологию. ФИЗИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ Проф. Мухина И. В. Лекция № 1 Педиатрический факультет 2014
Физиология как научная дисциплина • Физиология (греч. physis – природа, logos - учение) – наука, изучающая процессы жизнедеятельности и механизмы их регулирования в различных биологических системах: клетки – ткани – органы – системы органов – организм. • Предметом изучения физиологии являются функции живого организма, их связь между собой, регуляция и приспособление к внешней среде, происхождение и становление функций в процессе эволюции и индивидуального развития особи. • Гиппократ: «Физиология – служанка медицины» . • Гален (131 -200 гг. н. э. ) «Основа медицины» . • Уильям Гарвей (1578 – 1657). Книга «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животного» . • Альбрехт Галлер (1708 – 1777) 8 -томное сочинение «Элементы физиологии человеческого тела» . • Иоганнес Мюллер (1801 – 1858) • И. М. Сеченов (1829 -1905) в 60 -е годы 19 века открыл кафедру физиологии в Медико-хирургической академии С. -Пб.
Классификация физиологии • 1. Общая физиология. Изучает основные жизненные процессы, общие проявления жизнедеятельности: метаболизм клеток и тканей, свойства биологических мембран, общие закономерности реагирования организма на воздействия окружающей среды, формирование и изменение функций в процессе фило- и онтогенеза. • 2. Частная физиология. Изучает свойства отдельных тканей, органов, систем органов (физиология крови, сердца, выделения и т. д. ). • 3. Прикладная физиология: Изучает закономерности проявлений деятельности организма в определенных условиях (физиология спорта, питания, космическая, экологическая и т. д. ).
• • Нормальная физиология. Задачи нормальной физиологии как учебной дисциплины в системе высшего медицинского образования: обучение будущих врачей пониманию механизмов функционирования каждого органа и организма в целом. При изучении физиологии закладываются основы клинического мышления, база профессионального творчества; методическая подготовка будущего врача. Изучая физиологию, впервые обретаются навыки работы с живым организмом, навыки оценки состояния как отдельных систем, так и организма в целом на базе полученной информации, закладываются основы функциональной диагностики; понимание возможностей адаптации и подготовки здорового человека к различным видам деятельности, особенно в условиях меняющейся экологической ситуации. • Патологическая физиология Предметом патологической физиологии является нарушение жизнедеятельности. Патологическая физиология изучает механизмы возникновения, развития и завершения патологических процессов. Без знания функции здорового организма нельзя установить ее нарушение, т. е. правильно определить пути лечения. • Клиническая физиология Осуществляет связь между фундаментальными и клиническими науками. Изучает роль и характер изменения физиологических процессов как основу для возникновения патологических состояний организма, исследует компенсаторные механизмы нарушенных функций.
Физиология и биофизика возбудимых систем
• Раздражимость – способность живой материи активно отвечать на воздействие внешней и внутренней среды изменением обменных процессов. • Раздражитель – это изменение внешней или внутренней среды организма, воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. • Возбудимость - способность ткани отвечать на раздражение быстрой деполяризацией мембраны, т. е. генерацией потенциала действия (ПД). • Возбудимостью обладают нервная, мышечная и железистая ткани. • Возбуждение – процесс, характеризующийся изменением обмена клетки в ответ на раздражение в виде временной быстрой деполяризации мембраны, т. е. генерации ПД.
Ответные реакции биосистемы: • нервной клетки - проведение нервного импульса, • мышечной клетки – сокращение, • секреторной – синтез и выделение биологически активного вещества. Компоненты возбуждения: • - Химический; • - Физико-химический (ионная проницаемость); • - Физический (электрические, термические, механические проявления); • - Физиологический (изменение функциональных свойств).
История развития учения о биотоках • Луиджи (Алоизий) Гальвани (1737 -1798) Первый опыт Гальвани Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной и лейденской банкой. Рисунок из трактата Гальвани
Алессандро Вольта (1745 -1827) Вольта демонстрирует перед Наполеоном свое изобретение - Вольтов столб. Художник Дж. Бертини. 1801 год. Вольтов столб, состоящий из металлических дисков, разделенных кружками мокрой ткани
Второй опыт Гальвани • Ток покоя - ток между поврежденным и неповрежденным участком мембраны;
• К. Маттеуччи (1811 -1868) (вторичный тетанус). • Ток действия - ток между возбужденным и невозбужденным участком мембраны.
• Э. Дюбуа-Реймон: Поврежденный участок мембраны – заряжен «-» , а неповрежденный – «+» . • Мембранно–ионная теория (Ходжкин, Хаксли, Катц (1949 -1952). Нобелевская премия в 1963 году. Мембранный потенциал покоя (МПП) - разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны. • Суть теории – мембранный потенциал покоя возникает благодаря направленному движению заряженных частиц. • В основном это диффузия ионов К+ через мембрану клетки из внутриклеточной среды во внеклеточную. При создании мембранного потенциала покоя важную роль играют процессы простой диффузии через белковые каналы в мембране и первично активного транспорта.
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
Строение мембраны • Жидкостно-мозаичная модель – белки погружены в фосфолипидный бислой Липидный бислой – Фосфолипиды: • фосфатидилхолин (лецитин), • фосфатидилэтаноламин, • фосфатидилсерин, • фосфатидилинозит • Кардиолипин; Сфингомиелин; Холестерол; Гликолипиды. Белки • Интегральные (каналы, переносчики, насосы, рецепторы) • Периферические (цитоскелет, гликокаликс)
Виды транспорта веществ через мембрану 1. Диффузия: • Простая; • Облегченная. 2. Осмос. 3. Активный транспорт: • Первично-активный транспорт; • Вторично-активный транспорт. 4. Везикулярный транспорт
Диффузия Простая - пассивный процесс движения частиц в растворе по их концентрационному градиенту из области высокой концентрации в область низкой концентрации. • Проницаемость через мембрану зависит от свойств мембраны и самих растворенных веществ: • - Липидрастворимые вещества диффундируют легко через липидный бислой (этанол, кислород, углекислый газ); • - Водорастворимые вещества диффундируют через водные каналы, формируемые специальными трансмембранными белками транслоказами (ионы с гидратной оболочкой). Проницаемость пропорциональна их молекулярному размеру, форме, заряду. Облегченная – пассивный перенос веществ с помощью специальных белковпереносчиков по концентрационному градиенту (например, белок-переносчик инсулинзависимая пермиаза для глюкозы). Перенос осуществляется за счет спонтанной конформации переносчика при связывании с веществом. Подчиняется кинетике Михаэлиса. Ментена (насыщение переносчика веществом ограничивает диффузию).
Осмос • • • Осмос – пассивное движение воды через полупроницаемую мембрану по градиенту осмотического давления. Сила, которая определяет движение растворителя, называется осмотическим давлением. Осмотическое давление обусловлено количеством растворенных в воде частиц. Движение воды осуществляется из области с низкой концентрацией частиц в область с высокой концентрацией частиц. Часть осмотического давления, которую создают белки, называют онкотическим давлением. В плазме крови осмотическое давление – 5600 мм рт. ст. , онкотическое – 25 -30 мм рт. ст
Активный транспорт Первично активный - транспорт против градиента концентрации, обеспечивается наличием специальных белковых комплексов, именуемых насосами или помпами, и использованием энергии АТФ (транспортные АТФазы). Функция – поддержание постоянства ионного состава. Na, K – АТФаза; К, Н – АТФаза; Са – АТФаза и др. Вторично активный - обеспечивает транспорт веществ белкамипереносчиками (углеводов и аминокислот, кальция) против концентрационного градиента за счет энергии транспорта Na+ по концентрационному градиенту. Поддержание концентрационного градиента для Na+ обеспечивается Na, K – АТФазой. Вторично-активный транспорт может быть однонаправленным (симпорт), либо разнонаправленным (антипорт).
Везикулярный транспорт Эндоцитоз – энергозависимый процесс поступления частиц в клетку, связанный с участием сократительных белков цитоскелета, кальция для образования везикул: • Пиноцитоз – служит для поглощения небольших капелек растворенных веществ, белков, холестерола из ЛНП. • Фагоцитоз – служит для поглощения крупных частиц (бактерии, клетки, частицы разрушенной ткани). Эндоцитоз может быть активирован после взаимодействия лиганда с рецептором. Например, холестерин и железо поступают в клетку путем опосредованного рецептором эндоцитоза. Экзоцитоз – энергозависимый процесс выделения веществ из клетки. Например, синтез и выделение гормонов, нейротрансмиттеров, пищеварительных ферментов.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ
• При создании мембранного потенциала покоя важную роль играют процессы простой диффузии через белковые каналы в мембране и первично активного транспорта. • Поддержание трансмембранного потенциала (МПП) предопределено: • 1. Электрохимическим градиентом для K+, Na+, Cl-; • 2. Избирательно высокой проницаемостью мембраны для К+; • 3. Наличием активного транспорта (Nа+, К+- насоса) в мембране.
1. Электрохимический градиент для ионов Градиент составляют два компонента: • - электрический (статический - в результате того, что мембрана непроницаема для анионов клетки - глутамата, аспартата, органических фосфатов, белков, на внутренней поверхности мембраны образуется избыток отрицательно заряженных частиц, а на наружной – избыток положительно заряженных частиц); • - химический градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны (концентрация внутри К+ клетки больше, чем вне, а для ионов Na+ наоборот). • Мембранный потенциал, при котором суммарный калиевый ток через мембрану равен нулю (число выходящих ионов К+ сравнивается с числом входящих ионов К+ в клетку), называется потенциалом равновесия или равновесным потенциалом и рассчитывается согласно уравнению Нернста: Ex=(R·T/z·F) · ln ([X]o/[X]i),
Расчетное значение мембранного потенциала покоя согласно формуле Goldman-Hodgkin-Katz равно: где РК , Na, Cl – коэффициент мембранной проницаемости для ионов; [K+]o, [Na+]o, [Cl-]o – внеклеточная концентрация ионов; [K+]i, [Na+]i, [Cl-]i – внутриклеточная концентрация ионов. 61 – постоянная при t=37 о. С, 58 - при 20 о. С.
2. Высокая избирательная проницаемость мембраны для ионов К+, Na+, Cl. В изолированном гигантском аксоне кальмара проницаемость для ионов составляет: K+ - Na+ - Cl 1 : 0, 04 : 0, 45 Селективность каналов обусловлена тем, что каждый канал имеет: • устье, • селективный фильтр, • воротной механизм (gate). Проводимость одиночного открытого канала стабильна. Суммарная проницаемость мембраны определяется соотношением открытых и закрытых каналов
ИОННЫЕ КАНАЛЫ Управляемые Потенциалзависимые Неуправляемые Лигандзависимые Одноворотные, двуворотные Механозависимые
3. Наличие активного транспорта (Nа+, К+- насоса) в мембране Внеклеточное пространство Внутриклеточное пространство
Методы регистрации МПП • Обнаружить МПП можно с помощью второго опыта Гальвани (ток покоя). • Для измерения потенциала покоя используют микроэлектродную технику (“patchclamp”).
PATCH-CLAMP E. Neher B. Sakmann Nobel Price -1991
Происхождение потенциала действия
Уменьшение заряда мембраны называется деполяризацией, а увеличение заряда – гиперполяризацией.
Пороговый потенциал При нанесении раздражения с силой, равной некоторой критической величине, достигается критический уровень деполяризации (Екр) или КУД и развивается быстрая деполяризация или ПД. Разница между Ео и Екр. называется порогом деполяризации или пороговым потенциалом (ΔЕ). Чем меньше ΔЕ, тем выше возбудимость. Порог деполяризации – одна из характеристик мембраны, отражает ее особенности и функциональное состояние и является мерой возбудимости. При изменении функционального состояния мембраны наблюдаются разные ΔЕ.
Потенциал действия – это быстрое колебание МПП, возникающее при возбуждении. • 1 • 2 • 3 4 • 1. Фаза быстрой деполяризации 2. Фаза реполяризации 3. Фаза следовой деполяризации или отрицательный следовой потенциал (замедление реполяризации) 4. Фаза следовой гиперполяризации или положительный следовой потенциал
ИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПД 1. При достижении критического уровня деполяризации открываются все имеющиеся натриевые каналы по закону "все или ничего", 2. Фаза реполяризации, обусловлена Na+инактивацией и повышением проницаемости для К+. 3. Следовая деполяризация и гиперполяризация, обусловлены медленным восстановлением исходной проницаемости для ионов К+. Для поддержания концентрационного градиента после серии разрядов включается активная деятельность мембранных АТФаз (Na+, К+-насосов), направленных на восстановление измененного концентрационного градиента Na+ и К+.
Скачать презентацию Введение в физиологию ФИЗИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ
01_ВВЕДЕНИЕ_ТОКИ_ПП_ПД.pptx