Введение в физиологию с основами анатомии. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ. Проф. Потехина Ю.П. Лекция 1 Фармацевтический факультет 2013
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. Гален ( гг. н.э.) Физиология - 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». И.М. Сеченов ( ) в 60-е годы 19 века открыл кафедру физиологии в Медико-хирургической академии С.-Пб. 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.
Основные понятия физиологии Задача физиологии - глубокое познание функций и процессов организма, а также их регуляции, которое даст возможность, если потребуется, активно и направленно воздействовать на них. Физиологическая функция (functio - деятельность) – специфическая деятельность системы или органа, имеющая приспособительное значение и направленная на достижение полезного для организма результата. Физиологический процесс – последовательность явлений в развитии какого-либо действия или совокупность последовательных действий, направленных на достижение определенного результата.
Морфология как научная дисциплина Анато́мия (от греч. να- вновь, сверху и τέμνω «режу», «рублю», «рассекаю») наука, изучающая строение тела организмов и их частей на уровне выше клеточного. Анатомия как наука (собственно предмет анатомии) изучает не только внешнее строение организма в целом, но и внутреннюю форму и структуру органов, входящих в его состав. Современная анатомия с помощью микроскопии срезов анатомических препаратов смогла раздвинуть горизонты познания и выделить ещё один аспект морфологической науки микроскопическую анатомию.греч.телаорганизмовклеточногомикроскопии В свою очередь микроскопическая анатомия тесно связана с наукой о тканях (гистологией от греч. hystós ткань), изучающей закономерности развития и строения тканей, а также с наукой о клетке (цитологией от греч. cýtos клетка), которая исследует закономерности развития, строения и деятельности отдельных клеток, из которых построены ткани и органы исследуемого макроорганизма.гистологиейгреч.цитологиейгреч.клеткаорганизма Взятые вместе анатомия, гистология, цитология и эмбриология (от греч. émbryon зародыш) в совокупности представляют общую науку о форме, развитии и строении организма морфологию (от греч. morphé форма).греч.зародышморфологиюгреч.
Органы тела человека объединяются в системы органов.системы органов Система органов – совокупность органов, связанных общими функциями. Костная система: твёрдая опора мягких тканей.Костная система Мышечная система: перемещение тела и его частей в пространстве.Мышечная система Нервная система: получение, обработка и хранение информации, формирование рефлекторных реакций и поведения.Нервная система Сердечно-сосудистая система: циркуляция крови в организме.Сердечно-сосудистая система Дыхательная система: обеспечение организма кислородом.Дыхательная система Пищеварительная система: обеспечение организма питательными веществами.Пищеварительная система Выделительная система: удаление продуктов обмена веществ из организма.Выделительная система Репродуктивная система: обеспечение репродукции.Репродуктивная система Эндокринная система: регуляция процессов в организме посредством гормонов.Эндокринная система Иммунная система: защита от болезнетворных агентов.Иммунная система Покровная система (кожа, волосы и ногти): защита от факторов внешней среды.Покровная системаногти
Ткани, их строение и функции Ткани это совокупность клеток и неклеточных структур (неклеточных веществ), сходных по происхождению, строению и выполняемым функциям. Выделяют четыре основные группы тканей: эпителиальные, мышечные, соединительные и нервную. Эпителиальные ткани являются пограничными, так как покрывают организм снаружи и выстилают изнутри полые органы и стенки полостей тела. Особый вид эпителиальной ткани железистый эпителий образует большинство желез (щитовидную, потовые, печень и др.), клетки которых вырабатывают тот или иной секрет. Мышечные ткани обусловливают все виды двигательных процессов внутри организма, а также перемещение организма и его частей в пространстве. Различают три вида мышечной ткани: поперечнополосатую, гладкую и сердечную. Соединительные ткани (ткани внутренней среды) объединяют группы тканей мезодермального происхождения, очень различных по строению и выполняемым функциям. Виды соединительной ткани: костная, хрящевая, подкожная жировая клетчатка, связки, сухожилия, кровь, лимфа и др. Нервная ткань, из которой построены головной и спинной мозг, нервные узлы и сплетения, периферические нервы.
Кле́тка элементарная единица строения и жизнедеятельности всех организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.организмоввирусовжизни самовоспроизведению
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)
Функции клеточной мембраны Формирование клеточных структур, где мембрана выступает в качестве барьера между- вне и внутриклеточным содержимым, а также между отдельными структурами клетки, Поддержание внутриклеточного гомеостаза (постоянства внутренней среды), Участие в процессе формирования возбуждения и его проведения, Фото-, механо- и хеморецепция, Всасывание, Секреция, Осуществление газообмена и тканевого дыхания, Накопление и трансформация энергии и т.д.
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 белков- переносчиков 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).
ИОННЫЕ КАНАЛЫ Управляемые Неуправляемые Потенциалзависимые ЛигандзависимыеМеханозависимые Одноворотные, двуворотные
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 – 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 белками- переносчиками (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.
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.
История учения о биотоках Луиджи Гальвани ( ) Первый опыт Гальвани Алессандро Вольта ( ) Вольтов столб, состоящий из металлических дисков, разделенных кружками мокрой ткани. Второй опыт Гальвани
Э. Дюбуа-Реймон: Поврежденный участок мембраны – заряжен «-», а неповрежденный – «+». Мембранно–ионная теория (Ходжкин, Хаксли, Катц ( ). 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. Л.Гальвани: Ток покоя - ток между поврежденным и неповрежденным участками мембраны.
Методы регистрации МПП Обнаружить МПП можно с помощью второго опыта Гальвани (ток покоя). Для измерения потенциала покоя используют микроэлектродную технику (patch- clamp).
Мембранный потенциал 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).
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.
3. Наличие активного транспорта (Nа+,К+- насоса) в мембране Внеклеточное пространство Внутриклеточное пространство
Потенциал действия – это быстрое колебание МПП, возникающее при возбуждении. 1. Фаза быстрой деполяризации 2. Фаза реполяризации 3. Фаза следовой деполяризации или отрицательный следовой потенциал 4. Фаза следовой гиперполяризации или положительный следовой потенциал