Введение в физиологию Физиология возбудимых тканей Профессор Р

Введение в физиологию. Физиология возбудимых тканей. Профессор Р. П. Борисова 2013

Нормальная ФИЗИОЛОГИЯ наука о функциях живых систем и механизмах их регуляции в норме.

МЕСТО ФИЗИОЛОГИИ В СИСТЕМЕ НАУК Хирургия Анестезиология реаниматология Патологическаяан атомия Патофизиология Морфология ФИЗИОЛОГИЯ Терапия Инфекционные болезни Клиническа я генетика ская я биохимия иммунол огия Генетика Физика Иммунол огия Химия Математика и логика Биохимия

ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ: ОТ КЛЕТКИ ДО ОРГАНИЗМА

СВОЙСТВА ЖИВОЙ СИСТЕМЫ: • использование органических веществ • обмен со средой • раздражимость • адаптация • размножение • поддержание гомеостаза

Разнообразие животных клеток В организме человека идентифицировано более 200 типов клеток. Они формируют 4 основных типа тканей epithelia connective tissue Специальные типы клеток: muscle nervous tissue germ cell - sperm red blood cells hair cell - sound receptor rod cells - photoreceptor cells

Возбудимость - свойство, способность клетки отвечать на адекватный стимул процессом возбуждения Возбудимые клетки : • Нейроны и их элементы, • Мышцы - скелетные, гладкие и сердечная • Железы.

Возбуждение –процесс, возникающий в возбудимой ткани в ответ на адекватный стимул Компоненты: • Потенциал действия (ПД), • Повышение обмена веществ, • Специфическая деятельность: генерация и проведение ПД, сокращение, секреция

Порог раздражения – наименьшая величина стимула, способная вызвать возбуждение. Стимулы: Подпороговый, Пороговый, Надпороговый. Чем ниже порог раздражения, тем выше возбудимость.

МЕМБРАНЫ, КАНАЛЫ, ТРАНСПОРТ

Строение мембраны Мембрана представляет собой двойной слой фосфолипидов Полярная, гидрофильная часть молекулы Неполярная, гидрофобная часть молекулы

МЕМБРАНА КЛЕТКИ: представляет собой ассимметричный бислой фосфолипидов Слои мембраны состоят из различных веществ: phosphatidylcholine sphingomyelin cholesterol phosphatidylserine glycolipid extracellular space phosphatidylethanolamine phosphatidylinositol cytosol

При помещении фосфолипидов в воду они самоорганизуются и формируют бислой, который достаточно часто замыкается с образованием везикул

Основные функции плазматической мембраны • Селективный фильтр - избирательность • Регулируемый обмена веществ между клеткой и окружающей средой • Распознавание химических посредников. • Формирование электрических эффектов в покое и при возбуждении (возбудимые ткани).

Избирательные свойства плазматической мембраны Полезные молекулы Внутриклеточные системы Полезные молекулы Метаболиты Ненужные молекулы, микроорганизмы

Проницаемость липидного бислоя- обмен веществ: • Газы пересекают O 2 small мембрану быстро hydrophobic CO 2 • Липофильные молекулы проникают через мембрану с высокой скоростью • Большие незаряженные полярные молекулы не проникают через мембрану • Заряженные молекулы (ионы) практически не способны проникать через мембрану molecules N 2 small uncharged polar molecules H 2 O glycerol ethanol larger amino acids uncharged glucose polar nucleotides molecules ions H+, Na+, HCO 3 -, K+ Ca 2+, Cl. Mg 2+

Эволюция решила эту проблему включением в состав мембраны протеинов

Функции протеинов мембраны Транспорт веществ через мембрану Соединение соседних клеток Ферментативная активность Узнавание клетками друга Восприятие и передача сигналов из внешней среды Соединение цитоскелета и экстраклеточного матрикса

Протеины мембраны В животных клетках 50 % массы мембраны приходится на встроенные белки. Все белки клеточной мембраны делятся на 4 класса: Транспортеры Интегрины Рецепторы Ферменты

Мембранный транспорт Две классификации: 1) Молекулярный транспорт (транспорт по каналам или с помощью переносчиков) 2) Транспорт большими порциями (эндоцитоз и экзоцитоз) 1) Пассивный транспорт (диффузия, облегченная диффузия, осмос ) 2) Активный транспорт (первично- и вторично-активный), эндоцитоз и экзоцитоз

Молекулярный транспорт 1) диффузия 3) облегченная диффузия Градиент 2) осмос концентрации 4) активный транспорт с использованием переносчиков и затратой энергии

Факторы, действующие на скорость диффузии 1. Градиент концентрации 2. Температура 3. Давление 4. Перемешивание

Цитоплазматическая и внеклеточная концентрация ионов. Градиенты: Ion Intracellular Extracellular Na+ K+ Mg 2+ Ca 2+ 5 -15 m. M 140 m. M 0. 5 m. M 10 -7 M Cl 5 -15 m. M Fixed anions 145 m. M 1 -2 m. M 10 -3 m. M high 110 m. M

Ионные каналы – интегральные белки, обеспечивающие пассивный транспорт • Канальные белки формируют трансмембранные поры, через которые пассивно проходят ионы, как в клетку, так и из клетки • Ионные каналы высокоселективны для специфических ионов ( Na+, K+, Ca 2+, Cl-) и подразделяются на натриевые, калиевые и т. д.

Ионную специфичность (селективность) канала определяют: • диаметр – через узкую пору не могут пройти большие ионы • форма – только одиночные ионы могут беспрепятственно проходить через канал • Заряд – отдельные участки канала имеют разный заряд

Диффузия через канал Канал : открыт = активирован, закрыт = инактивирован, готов к открытию = активации Движущая сила – градиент концентрации ионов

Активация (открытие) каналов

КАНАЛЫ в зависимости от стимула, который их активирует (открывает), подразделяются на: • Потенциалзависимые (электрочувствительные) • Лигандзависимые = рецептор- зависимые= хемочувствительные) • механочувствительные • Мембрана клетки может обладать одним или всеми видами каналов.

Виды ионных каналов Два принципиальных свойства ионных каналов: (1) Ионная селективность – через канал может проходить только один вид ионов : натриевые, калиевые и др. (2) Состояния: закрыты, открыты, инактивированы потенциалмеханохемочувствительные внеклеточные внутриклеточные +++ out --- in закрыты открыты + + out - - in Мембранный потенциал Молекула связывается с каналом Растяжение

Активный транспорт: • Осуществляется с помощью специальных белков – переносчиков (АТФ-аз) • С затратой энергии - АТФ • Происходит против градиента концентрации ионов • Активируется повышением концентрации данных ионов в цитоплазме • Создает и поддерживает этот градиент, обеспечивая тем самым механизм пассивного транспорта этих ионов.

K+/Na+ НАСОС Включается при повышении концентрации натрия в цитоплазме (при возбуждении) Удаляет из клетки 3 иона натрия, восстанавливая градиент ионов натрия Возвращает в клетку 2 иона калия, восстанавливая градиент ионов калия Восстанавливает и поддерживает мембранный потенциал клетки (МП )

Натрий-калиевый насос (АТФ-аза) 2 3 1 4 6 Молекулярный транспорт 5

Межклеточная и внутриклеточная сигнализация • Рецепторы могут располагаться как на внешней, так и на внутренней поверхности мембраны, а также в ядре клетки • Лиганды – сигнальные молекулы, образующиеся, как в других клетках, так и внутри клетки-мишени. • После доставки к рецептору на мембране клетки-мишени молекула лиганда связывается с ним и изменяет активность клетки.

ФУНКЦИЯ РЕЦЕПТОРОВ клетки Раздражитель Рецептор Возбуждение в НС Рецепторы – Сенсорные – в НС: зрительные, слуховые, тактильные и т. д. Это клетка или ее часть. Мембранные – на мембране клетки. Это молекула, взаимодействующая с сигнальной молекулой - раздражителем. .

Рецепторы клетки: • Взаимодействие лиганда с рецептором поверхностной мембраны • Гидрофобные лиганды проникают через мембрану клетки и действуют на рецепторы ядра

Межклеточная и внутриклеточная сигнализация • Рецепторы могут располагаться как на внешней, так и на внутренней поверхности мембраны, а также в ядре клетки • Лиганды – сигнальные молекулы, образующиеся, как в других клетках, так и внутри клетки-мишени: гормоны, медиаторы, БАВ. • После доставки к рецептору на мембране клетки-мишени молекула лиганда связывается с ним и изменяет активность клетки.

G-протеин связанные рецепторы

Вторичные мессенджеры (посредники) • Ca 2+ • c. AMP : Циклический аденозинмонофосфат • c. GMP : Циклический гуанозинмонофосфат • IF 3 : Инозитол – 3 - фосфат • DAG: Диацилглицерол

Усиление сигнала • Сигнал управляющей клетки слабый • Усиление за счет ферментов • Каскад

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ в возбудимых тканях Состояния возбудимой ткани: - Покой - Возбуждение - Торможение

Покой: регистрация мембранного потенциала (МП) МП – разность потенциалов между внутренней и наружной стороной мембраны клетки

Покой: потенциал покоя = мембранный потенциал (МП) Покой В разных типах клеток от – 90 м. В до - 40 м. В

Покой: формирование МП: Покой: Открыты калиевые каналы: Ионы К* выходят из клетки, располагаются на поверхности мембраны, Создают (+) заряд на ее поверхности. Анионы создают (-) заряд на внутренней стороне мембраны.

Изменения МП в покое: • Поляризация – нормальная возбудимость. • Деполяризация – уменьшение МП и повышение возбудимости клетки. • Гиперполяризация и понижение возбудимости клетки.

Изменения МП:

Возбуждение: местное = локальный ответ на подпороговый стимул

Локальный ответ • Формируется при действии подпорогового стимула • Деполяризация не достигает КУД (критического уровня деполяризации), поэтому он не распространяется. • КУД – минимальный (пороговый) уровень деполяризации, при котором открываются все потенциалзависимые каналы мембраны и генерируется ПД. .

Локальный ответ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) • Зависит от силы раздражителя: в соответствии с «законом силы» . • «Закон силы» чем больше стимул, тем больше амплитуда локального ответа.

Локальный ответ (продолжение) способны • Отдельные локальные ответы суммироваться, при этом амплитуда возрастает и может достигнуть КУД и вызвать генерацию ПД. • В разных клетках локальные ответы имеют разные названия: рецепторный потенциал (РП), потенциал концевой пластинки (ПКП), возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП).

Зависимость деполяризации от силы стимула: достижение КУД – генерация ПД.

Распространяющееся возбуждение : ПД

Потенциал действия • Кратковременная перезарядка мембраны • Генерируется в ответ на пороговый или надпороговый стимул • Фазы: - деполяризация - реполяризация - следовые де- и гиперполяризация

Фазы ПД

Деполяризация

Проводимость каналов мембраны во время де- и реполяризации

Потенциал действия (ПД): Свойства: • Распространяется т. к. его амплитуда превышает КУД

Потенциал действия (продолжение) • Не зависит от силы стимула, подчиняется закону «Все или ничего» . • Не суммируется. • Продолжительность – 1 – 3 мс, • амплитуда – 120 м. В

Изменения возбудимости во время возбуждения • Местная деполяризация – повышение возбудимости • Пик ПД - абсолютная рефрактерность. • Реполяризацияотносительная рефрактерность. • Следовые де- и гиперполяризация-повышение и понижение возбудимости соответственно.

РЕФРАКТЕРНОСТЬ СНИЖЕНИЕ (ИЛИ ОТСУТСТВИЕ) ВОЗБУДИМОСТИ ВО ВРЕМЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Лабильность (функциональная подвижность) • Измеряется количеством волн возбуждения, которое ткань способна воспроизвести в соответствии с заданным ритмом. • Чем длительнее ПД и, соответственно, рефрактерность, тем ниже лабильность.

Трансдукция сигнала • Трансформация сигнала • Активация протеинкиназ • Образование вторичных мессенджеров (посредников) • Активация протеинов – Фосфорилирование – Связывание кальция • Ответ клетки