ФИЗИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА

МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОКОЯ
Проф. Мухина И.В.
Лекция №1
Лечебный факультет
2012

современные проблемы и тенденции развития.
Раздражимость и возбудимость.
Природа возбуждения.
История

развития учения о биотоках.
Токи покоя и действия.
Природа биотоков.
Транспорт веществ через мембрану. Активный и пассивный транспорт.
Происхождение мембранного потенциала покоя

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.

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.).

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.

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).

второй опыты Гальвани);


Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной

и лейденской банкой. Рисунок из трактата Гальвани

столб. Художник Дж. Бертини. 1801 год.
Вольтов столб, состоящий из металлических

дисков, разделенных кружками мокрой ткани

участком мембраны;

и невозбужденным участком мембраны.

– «+».

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.

–
Фосфолипиды:
фосфатидилхолин (лецитин),
фосфатидилэтаноламин,
фосфатидилсерин,
фосфатидилинозит
Кардиолипин;
Сфингомиелин;
Холестерол;
Гликолипиды.



Белки -

Интегральные (каналы, переносчики, насосы, рецепторы)
Периферические (цитоскелет, гликокаликс)

транспорт.
4. Везикулярный транспорт

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).

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

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).

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.

ток покоя и ток действия?
3. Что такое мембранный потенциал покоя?
4.

Назвать типы транспорта ионов через мембрану.

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.

(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),

, 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=37оС, 58 - при 20оС.

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

(ток покоя).

Для измерения потенциала покоя используют микроэлектродную технику (“patch- clamp”).