Основные физиологические понятия. Физиология клетки. Свойства биологических тканей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Основные физиологические понятия. Физиология клетки. Свойства биологических тканей

1. Основные физиологические понятия

Физиология - наука о механизмах функционирования и регуляции деятельности клеток, органов, систем организма в целом и взаимодействия его с окружающей средой. Организм - это открытая макромолекулярная саморегулирующаяся, самовосстанавливающаяся и самовоспроизводящаяся с помощью непрерывного обмена веществ и энергии система, способная чувствовать, активно целенаправленно передвигаться и адаптироваться в окружающей среде. Ткань - это система клеток и неклеточных структур, объединенных общностью происхождения, строения, функции. Различают 4 вида ткани: мышечную, нервную, эпителиальную и соединительную. Орган - это часть организма, обособленная в виде комплекса тканей, выполняющего специфические функции. Орган состоит из структурно-функциональных единиц, представляющих собой клетку или совокупность клеток, способных выполнять основную функцию органа в малых масштабах. Физиологическая система - это наследственно закрепленная совокупность органов и тканей, выполняющих общую функцию. Функциональная система - это динамическая совокупность отдельных органов и физиологических систем, формирующаяся для достижения полезного для организма приспособительного результата. Функция - это специфическая деятельность клеток, органов и систем органов по обеспечению жизнедеятельности целого организма. Факторы надежности физиологических систем - процессы, способствующие поддержанию жизнедеятельности системы в сложных условиях окружающей среды. К факторам надежности физиологических систем относят

Дублирование в физиологических системах;

Резерв структурных элементов в органе и их функциональная мобильность;

Регенерация поврежденной части органа или ткани и синтез новых структурных элементов;

Адаптация;

Совершенствование структуры органов в фило- и онтогенезе;

Экономичность функционирования;

Пластичность центральной нервной системы;

Обеспечение организма кислородом.

2. Физиология клетки

Клетка - это структурно-функциональная единица органа (ткани), способная самостоятельно существовать, выполнять специфическую функцию в малом объеме, расти, размножаться, активно реагировать на раздражение. Клеточная мембрана - оболочка клетки, образующая замкнутое пространство, содержащее протоплазму. Протоплазма - совокупность всех внутриклеточных элементов (гиалоплазмы, органелл и включений). Цитоплазма - это протоплазма, за исключением ядра. Гиалоплазма (цитозоль) - гомогенная внутренняя среда клетки, содержащая питательные вещества (глюкозу, аминокислоты, белки, фосфолипиды, депо гликогена) и обеспечивающая взаимодействие всех органелл клетки.

Функции клеток:

Общие функции обеспечивают жизнедеятельность самой клетки. Делятся на

а) синтез тканевых и клеточных структур и необходимых для жизнедеятельности соединений;

б) выработка энергии (происходит в результате катаболизма - процесса расщепления);

в) трансмембранный перенос веществ;

г) размножение клеток;

д) детоксикация продуктов метаболизма, которая реализуется с помощью следующих механизмов: детоксикация аммиака с помощью образования глутамина и мочевины; перевод токсических веществ, образовавшихся в клетке, в водорастворимые малотоксичные вещества; обезвреживание активных радикалов кислорода с помощью антиоксидантной системы;

е) рецепторная функция.

Специфические функции клеток: сократительная; восприятие, передача сигнала, усвоение и хранение информации; газообменная; опорная; защитная.

Функции органелл клетки. Клетка содержит в себе два вида органелл - мембранные (ядро, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы) и безмембранные (рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты).

Функции мембранных органелл:

Ядро - несет генетическую информацию и обеспечивает регуляцию синтеза белка в клетке.

Эндоплазматический ретикулум - является резервуаром для ионов, обеспечивает синтез и транспорт различных веществ, обеспечивает детоксикацию ядовитых веществ.

Аппарат Гольджи - обеспечивает этап формирования и созревания ферментов лизосом, белков, гликопротеидов мембраны.

Лизосомы - переваривание поступающих в клетку органических веществ (нуклеиновых кислот, гранул гликогена, компонентов самой клетки, фагоцитированных бактерий).

Пероксисомы - своими ферментами катализируют образование и разложение перекиси водорода.

Митохондрии - в них высвобождается основное количество энергии из поступающих в организм питательных веществ, участвуют в синтезе фосфолипидов и жирных кислот.

Функции безмембранных органелл:

Рибосомы - синтезируют белки.

Микротрубочки - в аксонах и дендритах нейронов они участвуют в транспорте веществ.

Микрофиламенты, промежуточные филаменты образуют цитоскелет клетки, который обеспечивает поддержание формы клетки, внутриклеточное перемещение мембранных органелл, движение мембраны клетки и самих клеток, организации митотических веретен, образование псевдоподий.

Структурно-функциональная характеристика клеточной мембраны. Клеточная мембрана представляет собой тонкую липопротеиновую пластинку, содержание липидов в которой составляет 40%, белков - 60%. На внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество углеводов, соединенных либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды). Эти углеводы участвуют в рецепции биологически активных веществ, реакциях иммунитета.

Структурную основу клеточной мембраны - матрикса - составляет биомолекулярный слой фосфолипидов, который является барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны клетки. Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна, другая не несет заряда и гидрофобна. В клеточной мембране гидрофильные участки одних молекул направлены внутрь клетки, а других наружу. В толще мембраны молекулы фосфолипидов взаимодействуют с гидрофобными участками. Так образуется прочная двухслойная липидная структура. В липидном слое находится много холестерина.

В клеточной мембране имеется большое количество белков, которые разделяют на следующие классы: интегральные, структурные, ферменты, переносчики, каналообразующие белки, ионные насосы, специфические рецепторы. Один и тот же белок может быть ферментом, рецептором и насосом. Многие молекулы белков имеют гидрофобную и гидрофильную части. Гидрофобные части белков погружены в липидный слой не несущий заряда. Гидрофильные участки белков взаимодействуют с гидрофильными участками липидов, что обеспечивает прочность мембраны. Молекулы белков, встроенные в матрикс, называют интегральными. Большинство этих белков являются гликопротеидами. Они образуют ионные каналы. Белки, прикрепленные снаружи мембраны, называются поверхностными. Это как, правило, белки-ферменты.

Клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Так, любая мембрана хорошо пропускает жирорастворимые вещества. Некоторые мембраны хорошо пропускают воду. Мембрана совсем не пропускает анионы органических кислот. В мембране имеются каналы, которые избирательно пропускают ионы натрия, калия, хлора и кальция. Большинство мембран имеет отрицательный поверхностный заряд, который обеспечивается выступающей из мембраны углеводной частью фосфолипидов, гликолипидов, гликопротеидов. Мембрана обладает текучестью, то отдельные её части могут перемещаться.

Функции клеточной мембраны:

рецепторная - выполняется гликопротеидами и гликолипидами мембран - осуществляет распознавание клеток, развитие иммунитета;

барьерная или защитная - выполняется клеточными мембранами всех тканей организма;

транспортная - работает вместе с барьерной функцией - формирует состав внутриклеточной среды, наиболее благоприятный для оптимального протекания метаболических реакций. Обеспечивает: а) осмотическое давление и рН; б) поступление через жкт в кровь и лимфу веществ, необходимых для синтеза клеточных структур и выработки энергии; в) создание электрических зарядов, возникновение и распространение возбуждения; г) сократительную деятельность мышц; д) выделение продуктов обмена в окружающую среду; е) выделение гормонов, ферментов;

создание электрического заряда и возникновение потенциала действия в возбудимых тканях;

выработка биологичсеки активных веществ - тромбоксанов, лейкотриенов, протогландинов.

Первичный транспорт веществ. Первичный транспорт осуществляется вопреки концентрационному и электрическому градиентам с помощью специальных ионных насосов и микровезикулярного механизма в клетку или из клетки. Он обеспечивает перенос подавляющего большинства веществ и воды в организме, жизнедеятельность всех клеток и организма в целом.

Транспорт с помощью насосов (помп). Насосы локализуются на клеточных мембранах или на мембранах клеточных органелл и представляют собой интегральные белки, обладающие свойствами переносчика и АТФазной активностью. Основными характеристиками насосов являются следующие:

а) насосы работают постоянно и обеспечивают поддержание концентрационных градиентов ионов, это обеспечивает создание электрического заряда клетки и способствует движению воды и незаряженных частиц согласно законам диффузии и осмоса, создание электрического заряда клетки. Почти все клетки заряжены внутри отрицательно по отношению к внешней среде.

б) принцип работы насосов одинаков: Na/K-насос (Na/K-АТФаза) является электрогенным, так как за один цикл выводится из клетки 3 иона Na⁺, а возвращается в клетку 2 иона К⁺. На один цикл работы Na/K-насоса расходуется одна молекула АТФ, причем эта энергия расходуется только на перенос иона Na⁺ .

в) натрий-калиевый насос - это интегральный белок, который состоит из четырех полипептидов и имеет центры связывания с натрием и калием. Он существует в двух конформациях: Е₁ и Е₂. Конформация Е₁ обращена внутрь клетки и имеет сродство к иону натрия. К ней присоединяется 3 иона натрия. В результате активизируется АТФаза, которая обеспечивает гидролиз АТФ и высвобождение энергии. Энергия изменяет конформацию Е₁ в конформацию Е₂, при этом 3 натрия оказываются снаружи клетки. Теперь конформация Е₂ теряет сродство к натрию и приобретает сродство к калию. К белку-насосу присоединяется 2 калия и сразу же конформация меняется. Калий оказывается внутри клетки и отщепляется. Это один цикл работы помпы. Затем цикл повторяется. Такой вид транспорта называется антипортом. Главным активатором такого насоса являются альдостерон и тироксин, а ингибитором - строфантины и кислородное голодание.

г) кальциевые насосы (Са-АТФазы) работают также, только переносится только кальций и в одном направлении (из гиалоплазмы в сарко- или эндоплазматический ретикулум, а также - наружу клетки). Здесь для высвобождения энергии необходим магний.

д) протонный насос (Н-АТФаза) локализуется в канальцах почек, в мембране обкладочных клеток в желудке. Он постоянно работает во всех митохондриях.

е) насосы специфичны - это проявляется в том, что они обычно переносят какой-то определенный ион или два иона.

Микровезикулярный транспорт. С помощью этого вида транспорта переносятся крупномолекулярные белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Различают три вида этого транспорта: а) эндоцитоз - перенос вещества в клетку; б) экзоцитоз - это транспорт вещества из клетки; в) трансцитоз - совокупность эндоцитоза и экзоцитоза.

Фильтрация - первичный транспорт, при котором переход раствора через полупроницаемую мембрану осуществляется под действием градиента гидростатического давления между жидкостями по обе стороны этой мембраны.

Вторичный транспорт веществ. Вторичный транспорт - переход различных частиц и молекул воды за счет ранее запасенной (потенциальной) энергии, которая создается в виде электрического, концентрационного и гидростатического градиентов. Он осуществляет транспорт ионов через ионные каналы и включает следующие механизмы.

Диффузия - частицы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Если частицы заряжены, то направление диффузии определяется взаимодействием концентрационного (химического) и электрического градиентов (их совокупность называют электрохимическим градиентом). Если частицы не заряжены, то направление их диффузии определяется только градиентом концентрации. Полярные молекулы диффундируют быстрее неполярных. Ионы диффундируют только через ионные каналы. Вода диффундирует через каналы, сформированными аквапорионами. Углекислый газ, кислород, недиссоциированные молекулы жирных кислот, гормоны - неполярные молекулы - диффундируют медленно.

Простая диффузия происходит либо через каналы, либо непосредственно через липидный слой. Стероидные гормоны, тироксин, мочевина, этанол, кислород, углекислый газ, лекарственные препараты, яды - могут с помощью простой диффузии попасть в клетку.

Облегченная диффузия характерна для частиц-неэлектролитов, способных образовывать комплексы с молекулами-переносчиками. Например, инсулин переносит глюкозу. Перенос осуществляется без непосредственной затраты энергии.

Натрийзависимый транспорт - вид диффузии, который осуществляется с помощью градиента концентрации ионов натрия, на создание которого затрачивается энергия. Имеется два варианта данного механизма транспорта веществ в клетку или из клетки. Первый вариант - это симпорт, направление движения транспортируемого вещества совпадает с направлением движения натрия согласно его электрохимическому градиенту. Идет без непосредственной затраты энергии. Например, перенос глюкозы в проксимальных канальцах нефрона в клетки канальца из первичной мочи. Второй вариант - антипорт. Это перемещение транспортируемых частиц направлено в противоположную по отношению к движению натрия сторону. Например, так движется кальций, ион водорода. Если транспорт двух частиц сопряжен друг с другом, то такой транспорт называется контраспортом.

Осмос - это частный случай диффузии: движение воды через полупроницаемую мембрану в область с большей концентрацией частиц, то есть с большим осмотическим давлением. Энергия в данном виде транспорта не затрачивается.

Ионные каналы. Число ионных каналов на клеточной мембране огромно: на 1 мкм² насчитывают примерно 50 натриевых каналов, в среднем они располагаются на расстоянии 140 нм друг от друга.

Структурно-функциональная характеристика ионных каналов. Каналы имеют устье и селективный фильтр, а управляемые каналы еще и воротный механизм. Каналы заполнены жидкостью. Селективность ионных каналов определяется их размером и наличием в канале заряженных частиц. Эти частицы имеют заряд, противоположный заряду иона, который они притягивают. Через каналы могут проходить и незаряженные частицы. Ионы, проходя через канал должны освободиться от гидратной оболочки, иначе их размеры будут больше диаметра канала. Слишком маленький ион, проходя через селективный фильтр, не может отдать свою гидратную оболочку, поэтому он не может пройти через канал.

Классификация каналов. Существуют следующие виды каналов:

Управляемые и неуправляемые - определяется наличием воротного механизма.

Электро-, хемо- и механоуправляемые каналы.

Быстрые и медленные - по скорости закрытия и открытия.

Ионоселективные - пропускающие один ион, и каналы не обладающие селективностью.

Основное свойство каналов, то, что они могут блокироваться специфическими веществами и лекарственными препаратами. Например, новокаин, атропин, тетродотоксин. Для одного и того же вида иона может быть несколько видов каналов.

3.Свойство биологической ткани. Раздражители

клетка физиологический организм биологический

Основные свойства биологической ткани следующие:

Раздражимость - способность живой материи активно изменять характер своей жизнедеятельности при действии раздражителя.

Возбудимость - это способность клетки генерировать потенциал действия при раздражении. Невозбудимыми являются соединительная и эпителиальная ткани.

Проводимость - это способность ткани и клетки передавать возбуждение.

Сократимость - это способность ткани изменять свою длину и/или напряжение при действии раздражителя.

Раздражитель - это изменение внешней или внутренней среды организма , воспринимаемое клетками и вызывающее ответную реакцию. Адекватный раздражитель - это такой раздражитель, к которому клетка в процессе эволюции приобрела наибольшую чувствительность вследствие развития специальных структур , воспринимающих этот раздражитель.

4.Характеристика регуляции функций организма

Регуляция функций - это направленное изменение интенсивности работы органов, тканей, клеток для достижения полезного результата согласно потребностям организма в различных условиях его жизнедеятельности. Классифицируется регуляция по двум направлениям: 1. По механизму её осуществления (три механизма: нервный, гуморальный и миогенный); 2. по времени её включения относительно момента изменения величины регулируемого показателя организма (два типа регуляции: по отклонению и по опережению). В любом случае различают клеточный, органный, системный и организменный уровни регуляции.

Нервный механизм регуляции. Этот вид регуляции функций является ведущим и наиболее быстрым. Кроме того, она оказывает точное, локальное влияние на отдельный орган или даже на отдельную группу клеток органа. Одним из основных механизмом нервной регуляции является однонаправленные влияния симпатической и парасимпатической систем. Различают следующие виды влияний вегетативной нервной системы:

Пусковое влияние - вызывает деятельность органа, находящегося в покое. Например, запуск сокращения покоящейся мышцы при поступлении к ней импульсов от мотонейронов спинного мозга или ствола по эфферентным нервным волокнам. Пусковое влияние реализуется с помощью электрофизиологических процессов.

Модулирующее (корригирующее) влияние - вызывает изменение интенсивности деятельности органа. Оно проявляется в двух вариантах: а) модулирующее влияние на уже работающий орган; и б) модулирующее влияние на органы, работающие в автоматическом режиме. Реализуется модулирующее влияние с помощью трофического, электрофизиологического и сосудодвигательного действия нервной системы.

Таким образом, вегетативная и соматическая нервные системы оказывают, как пусковое, так и модулирующее влияние на деятельность органов. На скелетную и сердечную мышцы вегетативная нервная система оказывает только модулирующее действие.

Следующим важным моментом является то, что нервная регуляция осуществляется по рефлекторному принципу. Рефлекс - это ответная реакция организма на раздражение сенсорных рецепторов, осуществляемая с помощью нервной системы. Каждый рефлекс осуществляется посредством рефлекторной дуги. Рефлекторная дуга - это совокупность структур, при помощи которых осуществляется рефлекс. Рефлекторная дуга любого рефлекса состоит их пяти звеньев:

Воспринимающее звено - рецептор - обеспечивает восприятие изменений внешней и внутренней среды организма. Совокупность рецепторов называется рефлексогенной зоной.

Афферентное звено. Для соматической нервной системы - это афферентный нейрон с его отростками, тело его находится в спинномозговых ганглиях или ганглиях черепномозговых нервов. Роль этого звена заключается в передаче сигнала в ЦНС к третьему звену рефлекторной дуги.

Управляющее звено - совокупность центральных (для ВНС и периферических) нейронов, формирующих ответную реакцию организма.

Эфферентное звено - это аксон эффекторного нейрона ( для соматической нервной системы - мотонейрона).

Эффектор - рабочий орган. Эффекторным нейроном соматической нервной системы является мотонейрон.

Все рефлексы делят на группы:

Врожденные (безусловные) и приобретенные (условные);

Соматические и вегетативные;

Гомеостатические, защитные, половые, ориентировочный рефлекс;

Моно- и полисинаптические;

Экстероцептивные, интероцептивные и проприоцептивные;

Центральные и периферические;

Собственные и сопряженные.

Гуморальная регуляция. Гормональное звено регуляции функций организма включается с помощью вегетативной нервной системы, то есть эндокринная система подчиняется нервной системе. Гуморальная регуляция осуществляется медленно и оказывает, в отличие от нервной системы, генерализованное воздействие. Кроме того, у гуморального механизма регуляции нередко наблюдается противоположное влияние биологически активных веществ на один и тот же орган. Гормоны - это биологически активные вещества, вырабатываемые эндокринными железами или специализированными клетками. Гормоны вырабатываются также нервными клетками - в этом случае они называются нейрогормонами. Все гормоны попадают в кровь и действуют на клетки мишени в различных частях организма. Существуют также гормоны, которые вырабатываются неспециализированными клетками - это тканевые или паракринные гормоны. Гормональное влияние на органы, ткани и системы организма подразделяется на

функциональное, которое в свою очередь, делится на пусковое, модулирующее и пермиссивное;

морфогенетическое.

Кроме эндокринной регуляции существует ещё регуляция с помощью метаболитов - продуктов, образующихся в организме в процессе обмена веществ. Метаболиты действуют в основном как местные регуляторы. Но существуют влияния метаболитов и на нервные центры.

Миогенный механизм регуляции. Сущность миогенного механизма регуляции состоит в том, что предварительное умеренное растяжение скелетной или сердечной мышцы увеличивает силу их сокращений. Миогенный механизм играет важную роль в регуляции гидростатического давления в полых органах и в сосудах.

Единство регуляторных механизмов и системный принцип регуляции. Единство регуляторных механизмов заключается в их взаимодействии. Так, при действии холодного воздуха на терморецепторы кожи увеличивается поток афферентных импульсов в ЦНС; это ведет к выбросу гормонов, увеличивающих интенсивность обмена веществ и к увеличению теплопродукции. Системный принцип регуляции заключается в том, что различные показатели организма поддерживаются на оптимальном уровне с помощью многих органов и систем. Так, парциальное давление кислорода и диоксида углерода обеспечивается деятельностью систем: сердечно-сосудистой, дыхательной, нервно-мышечной, крови.

Функции гематоэнцефалического барьера. Регулирующая функция ГЭБ заключается в том, что он формирует особую внутреннюю среду мозга, обеспечивающую оптимальный режим деятельности нервных клеток, и избирательно пропускает многие гуморальные вещества. Барьерную функцию выполняет особая структура стенок капилляров мозга - их эндотелий, а также базальная мембрана, окружающая капилляр снаружи. Кроме ГЭБ выполняет защитную функцию - предотвращает попадание микробов, чужеродных или токсичных веществ. ГЭБ не пропускает многие лекартсвенные вещества.

Надежность регуляторных систем. Надежность регуляторных систем обеспечивается следующими факторами:

Взаимодействие и дополнение трех механизмов регуляции (нервного, гуморального и миогенного).

Действие нервного и гуморального механизмов может быть разнонаправленной.

Взаимодействие симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы является синергичными.

Симпатический и парасимпатический отделы ВНС могут вызвать двоякий эффект (как активизацию, так и торможение).

Существует несколько механизмов регуляции уровня гормонов в крови, что усиливает надежность гуморальной регуляции.

Существует несколько путей системной регуляции функций.

Размещено на Allbest.ru