Введение в физиологию с основами анатомии. Транспорт

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 (131-200 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 (1829-1905) 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. ἀνα- — 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.
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.
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).
Органы тела человека
объединяются в системы органов.
Система органов – совокупность органов, связанных общими функциями.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Костная система: твёрдая опора мягких тканей.
Мышечная система: перемещение тела и его частей в пространстве.
Нервная система: получение, обработка и хранение информации,
формирование рефлекторных реакций и поведения.
Сердечно-сосудистая система: циркуляция крови в организме.
Дыхательная система: обеспечение организма кислородом.
Пищеварительная система: обеспечение организма питательными
веществами.
Выделительная система: удаление продуктов обмена веществ из
организма.
Репродуктивная система: обеспечение репродукции.
Эндокринная система: регуляция процессов в организме посредством
гормонов.
Иммунная система: защита от болезнетворных агентов.
Покровная система (кожа, волосы и ногти): защита от факторов
внешней среды.
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.
Строение мембраны
Жидкостно-мозаичная модель – белки погружены в
фосфолипидный бислой.
Липидный
Углевод
бислой
Интегральный
белок
Периферический
белок
Цитоскелет
Белки •Интегральные (каналы,
переносчики, насосы, рецепторы)
•Периферические (цитоскелет,
гликокаликс)
Липидный бислой –
Фосфолипиды:
•фосфатидилхолин (лецитин),
•фосфатидилэтаноламин,
•фосфатидилсерин,
•фосфатидилинозит
•Кардиолипин;
Сфингомиелин;
Холестерол;
Гликолипиды.
O
Углеводородные цепи
жирных кислот
O
C O
C =O
O
O
глицерин
OI
фосфат
P
O
N +
этаноламин
H
Полярная "головка"
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 белковпереносчиков по концентрационному
градиенту (например, белок-переносчик
инсулинзависимая пермиаза для глюкозы).
Перенос осуществляется за счет спонтанной
конформации переносчика при связывании с
веществом. Подчиняется кинетике МихаэлисаМентена (насыщение переносчика веществом
ограничивает диффузию).
ИОННЫЕ КАНАЛЫ
Неуправляемые
Управляемые
Потенциалзависимые
Лигандзависимые
Одноворотные, двуворотные
Механозависимые
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.
•
•
•
•
•
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 (1737-1798)
Алессандро Вольта (1745-1827)
Первый опыт Гальвани
Второй опыт Гальвани
Вольтов столб,
состоящий из
металлических
дисков, разделенных
кружками мокрой
ткани.
Л.Гальвани: Ток покоя - ток между поврежденным и
неповрежденным участками мембраны.
• Э. Дюбуа-Реймон:
Поврежденный участок мембраны – заряжен «-», а неповрежденный
– «+».
• Мембранно–ионная теория (Ходжкин, Хаксли, Катц (19491952). 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.
Методы регистрации МПП
• Обнаружить МПП
можно с помощью
второго опыта
Гальвани (ток
покоя).
• Для измерения
потенциала покоя
используют
микроэлектродную
технику (“patchclamp”).
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+, ClВ изолированном гигантском аксоне кальмара
проницаемость для ионов составляет:
K+ - Na+ - Cl1 : 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