Фізіологія – наука, що вивчає закономірності життєдіяльності
організму, його органів і систем. Життєдіяльність ґрунтується на фізіологічних процесах, що передбачають взаємодію фізичних і хімічних процесів і виявляються в живому на новому якісному рівні. Ці процеси забезпечують функції органів і систем, тобто специфічну їх діяльність.
Елементарна біологічна одиниця – клітина. На цьому структурному рівні забезпечується здатність до самостійного існування, самопідтримки й виконання основних біологічних функцій.
З деякою часткою умовності можна сказати, що на рівні клітини більшість фізіологічних процесів відбувається за участю мембран. Тому насамперед необхідно ознайомитися з будовою і властивостями клітинних мембран.
Плазматична мембрана оточує власне клітину, а ендомембрани розподіляють її на окремі структури – органоїди, що виконують різні функції. Так, ядро містить спадковий матеріал – нуклеїнові кислоти, у мітохондріях відбувається окиснювання субстратів з виробленням енергії (аденозинтрифосфату (АТФ)), лізосоми зберігають протеолітичні ферменти, ендоплазматичний ретикулум бере участь у синтезі біомолекул і створенні опорного скелета клітини тощо.
Клітинні мембрани виконують такі функції:
організують – створюють відповідну структуру власне клітини та її органоїдів;
ізолюють структуру, забезпечуючи перешкоду на шляху речовин, що бажають потрапити або вивільнитися з неї;
створюють градієнти (розходження) концентрації багатьох з’єднань між відповідною структурою і навколишнім середовищем;
регулюють активність процесів, що перебігають у кожному структурному утворенні, передаючи зовнішні сигнали;
визначають імунну специфічність клітини.
Будова клітинних мембран
Клітинні мембрани побудовано за загальною схемою. Найповніше всі їх елементи представлені в плазматичній (клітинній) мембрані.
Ліпідні компоненти мембран. Основа всіх клітинних мембран – це ліпіди, що становлять близько 45% їхньої маси. Здебільшого (понад половину) – це молекули фосфоліпідів різної довжини й структури. Для всіх ліпідів характерно, що іоногенні групи молекул утворюють гідрофільну голівку, а вуглеводневі жирнокислотні хвости надають їм гідрофобності. Оскільки мембрани розділяють дві водні фази, то вони складаються із двох шарів ліпідів. Гідрофільні голівки спрямовані до водних фаз – назовні й усередину до відповідної структури клітини, а гідрофобними хвостами обидва шари спрямовані одне до одного.
Ліпіди не випадково стали основою всіх клітинних мембран. Перебуваючи у водному середовищі, вони мають властивість само організовуватися: кожна молекула зв’язується з іншими, що забезпечує утворення тонкої плівки, а при струшуванні – суспензії пухирців (везикул).
Білки мембран. Ззовні й зсередини до ліпідів прилягають два білкових шари. На частку білків припадає близько 55% маси. Але на відміну від ліпідів вони не скрізь утворюють суцільні шари. Розрізняють білки інтегральні й периферичні.
Інтегральні білки пронизують мембрану наскрізь, часом виходячи відносно далеко з ліпідів.
Периферичні – білки вбудовані на різну глибину між ліпідами. Вони адсорбовані на поверхні мембрани й пов’язані з нею переважно електростатичними силами, тобто не так тісно, як ліпіди. Унаслідок цього вміст (щільність) білків на мембрані може змінюватися, а отже, змінюється й активність функцій, що вони виконують.
Фізіологічна характеристика неорганічних іонів
Клітинні мембрани мають властивості напівпроникності, тобто деякі речовини через них проходять, а інші – ні. Унаслідок цього ті або інші сполуки можуть накопичуватися з якогось боку від мембрани, створюючи концентраційні градієнти. Так, у клітині й поза нею суттєво різниться вміст більшості іонів, що беруть участь у виконанні багатьох фізіологічних процесів.
Таб. 1. Концентрація деяких іонів усередині м’язового волокна
й поза ним (ммоль/л)
| Іони | Концентрація | |
| внутрішньоклітинна | позаклітинна | |
| Na+ | 12 | 145 |
| K+ | 155 | 4 |
| Ca2+ | 0,0001 | 2,4 |
| Cl- | 4 | 120 |
| HCO-3 | 8 | 27 |
| Інші катіони | - | 5 |
| Інші аніони | 155 | 7 |
Натрій забезпечує осмотичний тиск, що регулює водний обмін між клітинами й позаклітинними середовищем. Іони натрію беруть участь у підтриманні кислотно-основного стану (КОС) в організмі. У багатьох тканинах вони задіяні в електрохімічних процесах, а також у регуляції функцій нуклеїнових кислот, білків. З ними пов’язане трансмембранне транспортування окремих речовин.
Чимало функцій калію поєднані з функціями натрію, але протилежні їм. Це спостерігають як в електрохімічних процесах, так і у впливі на ферменти (калій активує деякі ферменти гліколізу, а натрій – пригнічує). Разом з тим K+
виконує і «свої» функції. Наприклад, його вважають одним з регуляторів процесів транскрипції.
Функціональне призначення кальцію настільки різноманітне й значуще для більшості органів і систем, що регуляцію його обміну забезпечують кілька гормонів. Кальцій необхідний для секреторної активності практично всіх залозистих клітин. У більшості клітин його вважають одним із регуляторів внутрішньоклітинних процесів. Водночас надходження в цитоплазму клітин великої кількості вільного кальцію несприятливе, оскільки в такому разі утворюється малорозчинна сіль фосфату кальцію, під впливом якої припиняється продукування й утилізація аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Тому в клітинах, де кальцій використовується для забезпечення функцій (наприклад у м’язовій – для скорочення), існує система його депо – саркоплазматичний ретикулум (СР). З нього кальцій виходить у цитоплазму на відносно короткий період. У руслі крові цей іон бере участь у забезпеченні процесів гемостазу (спинення кровотечі).
Функції білків мембран
Більшість функцій мембран (перетинка) зумовлені їхніми білковими компонентами, що виконують роль іонних каналів, насосів, ферментів, рецепторів. Активність функції, що вони виявляють, залежить як від самих білків і їхньої щільності на мембрані, так і від її ліпідів. Усі зазначені механізми змінюються під впливом складної системи регуляції.
Транспортні білки
Дифузія. Перехід різних сполук крізь мембрану залежить від величини їхньої молекули, заряду, а також розчинності в ліпідах. Жиророзчинні сполуки (CO, O та ін.) можуть відносно легко проникати крізь мембрану, якщо виникають умови для їхньої дифузії. Основний механізм, що забезпечує процес дифузії – концентраційний градієнт речовини: він з більшої концентрації переміщується в меншу.
Транспортування речовин здійснюється за допомогою таких механізмів:
пасивного;
первинно-активного;
повторно-активного (поєднаного).
Пасивне транспортування відбувається спеціальними каналами без витрати енергії шляхом дифузії за концентраційним градієнтом. Для заряджених часток має значення ще й електрохімічний градієнт. Так, катіони калію, що виходять із клітини, утримуються в ній негативними аніонами.
Активне транспортування потребує спеціальних білкових структур, що називають насосами, і обов’язкового використання енергії.
Поєднане транспортування забезпечують білки, що транспортують одночасно дві сполуки. Причому цей вид транспортування може бути односпрямованим, коли обидві сполуки проникають крізь мембрану в одному напрямку (симпорт), або різноспрямованим (антипорт). Поєднане транспортування також потребує енергії іонних насосів, але вона не завжди використовується в тій ділянці плазматичної мембрани, через який воно здійснюється.
Іонні канали. Найтиповішим вважається трансмембранне транспортування іонів, що проходять за одним з різновидів білків-переносників, так званими каналами (порами).найважливіші (і вивчені на сьогодні) три з них:
натрієвий;
калієвий;
кальцієвий.
Як правило, канал складається з трьох частин. Перша з них – водна пора, вистелена всередині гідрофільними групами. На зовнішній її поверхні міститься ділянка, що здійснює поділ іонів, - селективний фільтр. Керує станом каналу структура, що перебуває біля зверненого всередину краю пори і має назву «ворота».
Перший фактор, що обмежує проходження катіонів каналом, - це розмір селективного фільтра: для натрієвого каналу він становить 0,3×0,5 нм, для калієвого - 0,3×0,3 нм. Кальцієвий канал більшого діаметра (0,65 нм), тому крізь нього може проходити не лише Са2+, а й Nа+. Інший фактор, що регулює проходження іонів, - заряд стінки пори. У розглянутих катіонних каналах стінка пор має негативний заряд, тому через них не можуть проникати аніони – вони відштовхуються.
Регуляцію стану каналу здійснює ворітний механізм. Його положення («відкрито» або «закрито») залежно від місця розташування каналу на мембранах визначають: електричним зарядом мембрани й спеціальними рецепторами, що взаємодіють із біологічно активним з’єднанням, наприклад медіатором).
Іонні насоси. Функціональне призначення біологічних насосів полягає в підтриманні всередині клітини сталості іонного складу. Їх ще називають транспортними аденозинтрифосфатазами (АТФазами), адже вони забезпечують транспортування іонів проти концентраційного градієнта, для чого потрібна енергія АТФ. Найтиповіші й на сьогодні відносно добре вивчені два насоси.
1) Nа+-, К+-АТФаза, робота якого – один з найбільш енергозатратних механізмів: у середньому для її функціонування витрачається близько 24% всієї енергії клітин, а в нейронах – до 70%.
2) Са2+- Ат фаза. Енергетична ємність цього насоса набагато вища, ніж Nа+-, К+-АТФази: для викачування одного Са2+ витрачається дві АТФ, тоді як одна АТФ витрачається для транспортування трьох Nа+ і двох К+. Пусковий механізм цього насоса – сам кальцій, найменша зміна внутрішньоклітинної концентрації якого запускає процес його відкачування.
Мембранний потенціал спокою (МПС)
Усі живі клітини мають різний електричний заряд на зовнішній і внутрішній поверхнях мембрани. Таким чином, мембрана поляризована. У стані спокою зовнішня поверхня має позитивний, а внутрішня — негативний заряд. Ця різниця потенціалів називається мембранним потенціалом спокою (МПС).
Мембранний потенціал спокою характеризується певними параметрами:
1) постійністю;
2) полярністю (зовнішня поверхня мембрани позитивна, внутрішня —негативна);
3) величиною, що виражається в мілівольтах (мВ).
Величина МПС залежить від концентрації іонів по обидва боки
мембрани.
Проникність мембрани для К+ майже в 100 раз більша, ніж
для Na+, тому основну роль у генерації мембранного потенціалу
відіграє дифузія К+ - калієвий дифузійний потенціал. К+ дифундує з клітини, але завдяки негативному заряду в ній ці іони затримуються на зовнішній поверхні мембрани.
На величину МПС впливають невелика дифузія Na+ в протилежному напрямку, наявність у клітині негативно заряджених білків, аніонів фосфатів та інших речовин.
Істотну роль у механізмі генерації МПС грає також N+,-K+- нaсос, що виводить із клітини три іони Na+ на кожні два іони К+, що вводяться в неї. Це ключовий процес, який створює іонну асиметрію. Робота цього насосу залежить від метаболізму клітини і, зокрема, від його енергопостачання.
Таким чином, МПС формується завдяки різним механізмам, але основним серед них є дифузія К+. Підтримання МПС на певному рівні - один із основних показників стану відносного фізіологічного спокою клітини.
Потенціал дії нервового волокна
Потенціал дії (ПД)—це короткочасні високоамплітудні зміни МПС, що виникають при збудженні. Основною причиною ПД є зміна проникності мембрани для іонів.
Розглянемо розвиток ПД на прикладі нервового волокна. Реєструвати ПД можна при введенні одного з електродів у волокно або розташовуючи обидва електроди на його поверхні. Простежимо процес формування ПД при внутрішньоклітинному методі. Можна чітко виділити п’ять фаз розвитку ПД:
1 – наростання (деполяризація), що триває близько 0,2-0.5 мс.
У стані спокою мембрана поляризована і МПС дорівнює
90 мВ. Як тільки починається збудження, величина цього потенціалу зменшується (це зменшення називається деполяризацією);
2 – овершут (від англ. overshoot- переліт). У ряді випадків потенціал боків мембрани змінюється на протилежний (так званий овершут);
3 – стадія реполяризації, під час якої величина різниці потенціалів падає майже до початкового рівня. Ці дві фази є піком ПД.
Після піку спостерігаються слідові потенціали – слідова деполяризація та слідова гіперполяризація.
4 – слідова деполяризація –швидкість реполяризації уповільнюється;
5 – слідова гіперполяризація (гіперполяризація — збільшення різниці потенціалів між боками мембрани). Наприклад, було 90 мВ, а стає 100 мВ.
Розвивається ПД дуже швидко — за кілька мілісекунд.
Параметри ПД:
1) змінний характер, бо змінюється напрямок руху струму;
2) величина, яка завдяки овершуту може перевищувати МПС;
3) час, протягом якого розвиваються ПД і окремі його стадії — деполяризація, реполяризація, слідова гіперполяризація.
Як формується ПД. У стані спокою «ворота» потенціалзалежних Nа+-каналів закриті. Закриті також «ворота» потенціалзалежних К+-каналів.
1.Під час фази деполяризації відбувається активізація Na+-кaналів. При цьому змінюється конформаційний стан білків, що входять до складу «воріт». Ці «ворота» відкриваються, і проникність мембрани для Na+ збільшується в кілька тисяч раз. Na+ лавоподібно входить у волокно нерва. У цей час К+-канали відкриваються дуже повільно. Отже, у волокно надходить значно більше Na+, ніж виводиться з нього К+.
2.Реполяризація характеризується закриттям Nа+-каналів. «Ворота» на внутрішній поверхні мембрани закриваються — спостерігається інактивація каналів під впливом електричних потенціалів. Інактивація відбувається повільніше, ніж активація. В цей час прискорюється активація К+-каналів і зростає дифузія К+ назовні.
Таким чином, деполяризація пов'язана переважно зі входом Na+ у волокно, а реполяризація — з виходом із нього К+. Співвідношення між входом Na+ і виходом К+ змінюється в процесі розвитку ПД: на початку ПД входить Na+ в кілька тисяч раз більше, ніж виходить К+, а потім виходить більше К+, ніж входить Na+.
Причиною слідових потенціалів є подальші зміни співвідношення між цими двома процесами. Під час слідової гіперполяризації
багато К+-каналів ще залишаються відкритими й К+ продовжує
виходити назовні.
Відновлення іонних градієнтів після ПД.Одиночні ПД змінюють різницю концентрацій іонів у нервовому волокні і за його межами дуже мало. Але в тих випадках, коли проходить значна кількість імпульсів, ця різниця може бути досить істотною.
Відновлення іонних градієнтів відбувається тоді за рахунок
посилення роботи Nа+/К+-насосів — що більшою мірою порушується цей градієнт, то інтенсивніше працюють насоси. При цьому використовується енергія АТФ. Частина її виділяється у вигляді тепла, тому в цих випадках спостерігається короткочасне підвищення температури волокна.
Умови, потрібні для виникнення ПД.ПД виникає лише за певних умов. Подразники, які діють на волокно, можуть бути різними. Частіше використовується постійний електричний струм. Він легко дозується, мало травмує тканину і найближчий до тих подразників, які існують у живих організмах.
За яких умов постійний струм може зумовити появу ПД? Струм
має бути досить сильним, діяти певний час, його наростання повинно бути швидким. Нарешті, має значення і напрямок струму (дія аноду чи катоду).
Залежно від сили розрізняють підпороговий (недостатній для
виникнення збудження), пороговий (достатній) і надпороговий (надмірний) струм.
Незважаючи на те що підпороговий струм не зумовлює збудження, він усе ж таки деполяризує мембрану, і ця деполяризація тим більша, чим вища його напруга.
Деполяризація, що розвивається при цьому, називається локальною відповіддю і є видом місцевого збудження. Воно характеризується тим, що не поширюється, величина його залежить від сили подразнення (закон силових стосунків: що більша сила подразнення, то активніша відповідь). Під час локальної відповіді збудливість тканини підвищується. Збудливість — це
здатність відповідати на подразнення і переходити в стан збудження.
ПД є одним із показників збудження — активного фізіологічного процесу, яким живі клітини (нервові, м'язові, залозисті) відповідають на подразнення. Під час збудження змінюються метаболізм, температура клітин, порушується іонна рівновага між цитоплазмою та зовнішнім середовищем, відбувається ряд інших процесів.
Крім сили постійного струму, виникнення ПД залежить також
від тривалості його дії. Існує зворотна пропорційна залежність між
силою струму та тривалістю його дії. Підпороговий струм навіть
при дуже тривалій дії не зумовить збудження. Надпороговий
струм при надто короткій дії також не призведе до збудження.
Для виникнення збудження потрібна також певна швидкість
(крутизна) наростання сили струму.
Має значення й напрям струму: ПД виникає при замиканні
струму лише тоді, коли катод міститься на зовнішній поверхні
мембрани, а анод — у клітині чи волокні. При проходженні струму
змінюється МП. Якщо на поверхні лежить катод, то розвивається
деполяризація (збудливість підвищується), а якщо анод — гіперполяризація (збудливість знижується). Знання механізмів дії електричного струму на живі об'єкти конче потрібне для розробки і застосування в клініці методів фізіотерапії (діатермія, УВЧ, діафорез і ін.).
Реєстрація ПД широко використовується в клініці для діагностики захворювань серця, мозку, опорно-рухового апарата, шлунка тощо.
1 ... 5 6 7 8 9 10 11 12 ... 25