Регуляция – совокупность физиологических процессов, обеспечивающих равновесие организма со средой. В основе – взаимосвязь органов и функционирующих систем м/у собой.
Для оптимальной и стабильной работы организма необходима регуляция систем на всех уровнях – от молекулярного до популяционного. Механизмы (физиологич, биохимич, поведенч) должны соответствовать уровню организации и условиям жизни.
Саморегуляция – механизм поддержания жизнедеятельности организма на относительно постоянном уровне. Возникла в процессе эволюции в ответ на изменение условий среды, т.е. присуща всем живым организмам. В ходе естественного отбора вырабатываются общие регуляторные механизмы разной природы (нейрогуморальн, эндокринн, иммунологич), направл на поддержание относительного постоянства внутренней среды организма. У чела и высоко организованных животных относит. постоянство внутр среды поддерж нейро-гуморальн механизмом регуляции, деятельность ССС, дыхательной системы, ЖКТ, почек и потовых желез.
Многообразие физиологически активных веществ, образующихся в рез жизнедеятельности органов, тканей, клеток, включая продукты распада белков, СО2, лежит в основе гуморальной регуляции.
Гуморальная регуляция - координация физиологических и биохимических процессов, осуществляемая через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью БАВ (метаболиты, гормоны, гормоноиды ионы), выделяемых клетками, органами и тканями в процессе их жизнедеятельности. Продукты обмена веществ действуют не только непосредственно на эффекторные органы, но и на окончания чувствительных нервов (хеморецепторы) и нервные центры, вызывая гуморальным или рефлекторным путём те или иные реакции. Гуморальная передача нервных импульсов химическими веществами, т. н. медиаторами, осуществляется в центральной и периферической нервной системе.
Основное положение рефлекторной теории заключается в утверждении, что деятельность организма есть закономерная рефлекторная реакция на стимул. Рефлекс как универсальная форма взаимодействия организма и среды есть реакция организма, возникающая на раздражение рецепторов и осуществляемая с участием центральной нервной системы. В естественных условиях рефлекторная реакция происходит при пороговом, надпороговом раздражении входа рефлекторной дуги — рецептивного поля данного рефлекса.
Гуморальные связи характеризуются:
- медленной скоростью распространения веществ
- отсутствие точного адреса
- малая надежность связи (т.к. вещ-во высвобождается в меньшем количестве и очень быстро разрушается/ выводится)
В процессе эволюции механизм гуморальной регуляции, дополняясь мех-мами нервной регуляции -> единая схема взаимосвязанных нервно-гуморальных отношений.
В основе представлений о нервно-гуморальной регуляции лежит учение о рефлексе. В основе рефлекторная дуга:
1. рецептор, восприним раздражение
2. афферентные нейроны (центростремительные)
3. вставочные
4. эфферентные (центоробежные)
5. эффекторы
Нейрогуморальная регуляция функций (греч. neuron нерв + лат. humor жидкость) — регулирующее и координирующее влияние нервной системы и содержащихся в крови, лимфе и тканевой жидкости биологически активных веществ на процессы жизнедеятельности организма человека и животных. Н.р.ф. имеет важное значение для поддержания относительного постоянства состава и свойств внутренней среды организма, а также для приспособления организма к меняющимся условиям существования. В нейрогуморальной регуляции функций участвуют многочисленные специфические и неспецифические продукты обмена веществ (метаболиты). К ним относятся тканевые и гастроинтестинальные гормоны, гипоталамические нейрогормоны, гистамин, простагландины, олигопептиды широкого спектра действия. Током крови они разносятся по всему организму, но лишь в «результирующих органах», или органах-мишенях, вызывают специфические реакции, вступая во взаимоотношение с рецептором (клеткой-мишенью, клеткой-исполнителем).
2. Современные представления о строении и функциях мембран. Активный и пассивный транспорт через мембраны, их роль в формировании мембранного потенциала покоя.
Это чрезвычайно вязкие, но тем не менее пластичные структуры, окружающие все живые клетки. Плазматическая мембрана обретает компартмент, внутри которого находится цитоплазма.
Функции:
1) барьер (поддерживается различный состав вне и внутрикл среды)
2) селективная проницаемость за счет работы каналов и насосов
3) обмен веществами м/у клеточным содержимым и окружающей средой путем экзо- и эндоцитоза.
4) архитектура и микросреда
5) транспорт
6) осмос
7) синтетическая (образование АТФ)
Хим состав: липиды (40%), белки (60%), углеводы (<10%)
В жизнедеятельности клетки огромную роль играет мембрана. Она принимает участие в генерации потенциала действия (мембраны клеток возбудимых тканей), энергии (мембраны митохондрий), осуществляет функции восприятия внешнего сигнала и межклеточного взаимодействия (например, передачу информации от одной клетки другой). Основной диапазон мембранных свойств обусловлен барьерно-транспортный функцией: мембрана определяет потоки веществ, идущих через нее, микросреду, т. е. состав цитоплазмы. неравномерность концентрации ионов во внутри- (много К+) и внеклеточном (много Na+ и Cl-) пространстве обеспечивается рядом механизмов транспорта протонов через мембрану клетки.
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
Механизмы транспорта веществ зависят от состава и структуры биологических мембран, природы веществ, которые должны пройти через мембрану, размера молекул и их заряда.
Пассивный транспорт веществ через мембрану происходит без затраты энергии и может осуществляться как без носителя, так и с помощью специфического транспортера (белка). Он идет по градиенту концентрации, т. е. из зоны с более высоким содержанием транспортируемого вещества в зону с более низкой концентрацией.
Пассивный транспорт представлен следующими формами. Простая диффузия. Электронейтральные молекулы с молярной массой до 100—150 проходят через биологические мембраны сравнительно легко (на основе простой диффузии).!вода, мочевина, Лимитирующими факторами проницаемости являются константы диффузии веществ, концентрационный градиент и расстояние. Простая диффузия может идти и через особые образования в мембране — каналы поры).
Облегченная диффузия. Это пассивный транспорт, обеспечиваемый специфическим для данного вещества транспортером. В качестве последнего выступают особые типы белков (белки-носители), которые облегчают диффузию тем, что связывают переносимое вещество на одной поверхности мембраны, проводят его через мембрану и на другой поверхности освобождают переносимое соединение. Однако и в этом случае транспорт осуществляется по градиенту концентрации.
Обменная диффузия. Один и тот же белок-носитель способен перенести в обратном направлении другое соединение, т. е. транспортер доставляет внутрь клетки вещество из внеклеточного пространства, где его концентрация выше, а в обратном направлении, опять же по градиенту концентрации, выводит вещество, концентрация которого максимальна внутри клетки.
Активным транспортом называется процесс, в ходе которого вещество 1) связано с носителем. 2) переносится через мембрану против своего химического пли электрохимического градиента. Активный транспорт вещества представляет собой эндоэргонический процесс, т. е. идет с потреблением энергии и, следовательно, должен быть обязательно сопряжен с другим процессом (экзоэргоническим), в ходе которого освобождается такое же или большее количество энергии. Источником свободной энергии чаще всего является энергия, выделяемая при расщеплении АТФ. Все многообразие разновидностей молекулярного специфического транспорта через мембрану, включая активный транспорт против градиента концентраций, реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов, переносчиков, каналов и пор.
Насосы. Деятельность насосов, которые представляют собой транспортные АТФазы (Na+—К+—АТФаза, Са2+—Mg2+— АТФа- ' К +— Н+—АТФаза, Н+—АТФаза, анионная АТФаза и др.), лежащих в основе функционирования практически всех известных! клеток.
Транспортеры. Мобильный переносчик, представляющий coбой, как правило, белковую молекулу, движется от одной поверхности мембраны к другой, совершая вертикальные или вращательные движения, чтобы связывать транспортируемые субстраты на одной поверхности мембраны и освобождать — на другой. Типичным примером мобильного переносчика могут служить ионофоры.
Переносчики переносят один или ограниченное число типов молекул через мембрану либо по электрохимическому градиенту, либо благодаря сопряжению с механизмом транспорта другого вещества, движение которого по градиенту концентрации служит источником энергии для сопряженного с ним процесса.
Канал (как устройство) характеризуется наличием постоянной или индуцированной поры, через которую проходит транспортируемое вещество. Если несколько молекул интегральных белков в мембране удачно пространственно ориентированы, то внутри их группы может возникнуть каналец (пора), на внутренней поверхности которого преобладают положительные или отрицательные заряды или он может быть нейтральным, но содержать избыток гидрофильных групп.
В каждом канале следует различать наружное и внутреннее устья и суженную часть поры — "селективный фильтр". Устья канала способны принимать ион вместе с его гидратной оболочкой. При поступлении его в канал происходит замещение молекулы воды гидратной оболочки иона на полярные группы полости канала. Работа же по частичной или полной дегидратации иона осуществляется в области селективного фильтра.
Однорядный транспорт ионов через канал обладает характерными особенностями. Ион относительно долго задерживается в каждой потенциальной яме. Это значит, что второй ион не может попасть в занятую потенциальную яму из-за электростатического взаимодействия (отталкивания) с уже находящимся там ионом. Перескоки между ямами совершаются под действием тепловых флуктуации (колебаний). Выход из канала иона облегчается при появлении на входе канала другого иона вследствие их электростатического отталкивания. Проводимость канала зависит от того, насколько заполнены участки "входа" и "выхода"
канала, связывающие ионы. Особое значение имеют каналы, проницаемые для ионов Na+, К+, Сl Са, т. е., каналы, избирательно пропускающие эти ионы. Они обладают воротными механизмами и в зависимости от их функционального состояния могут быть открытыми или закрытыми. В связи с этим их классифицируют по следующим основным признакам: 1) по иону, который избирательно проникает через канал, 2) по механизму, управляющему этим каналом.
Потенциал приемные каналы. Работа потенциал управляемого канала зависит от мембранного потенциала. Наиболее ярким представителем такого канала является потенциалуправляемый Nа+-канал. Вход в Nа+-канал является селективным фильтром, который пропускает практически только ионы Na+. В покое Na-каналы закрыты и открываются лишь во время деполяризации мембраны. Внутри Na-канала имеется воротный механизм, контролируемый потенциалом. Этот компонент поры подвергается влиянию мембранного потенциала через заряженный "сенсор" в липидной фазе мембраны. При деполяризации эти заряды смещаются, вызывая изменение молекулярной конформации. которое открывает проход через канал. Смещение заряда регистрируется в виде воротного тока, который непосредственно предшествует входу Na+ в клетку в начале возбуждения.
Рецепторуправляемые каналы. В этом случае ворота каналов управляются за счет рецептора, расположенного на поверхности мембраны; при взаимодействии медиатора (лиганда) с этим рецептором может происходить открытие ионных каналов.
Наконец, открытие ворот канала может происходить в результате действия на мембрану других ионов — ионоуправляемый канал (название по иону).
Поры. Кроме того, в мембране находятся неспецифические каналы для ионной утечки, каждый из которых проницаем для ионов К+, Na+ и Сl (больше всего для К+). Эти каналы (или поры) не имеют воротных механизмов, всегда открыты и почти не меняют своего состояния при электрических воздействиях на мембрану.
Подводя итоги, следует отметить, что внутриклеточная и внеклеточная среды отличаются по ионному составу. Эти различия обеспечиваются процессами постоянного транспорта веществ через мембрану. Благодаря существованию одновременно нескольких механизмов транспорта его скорость может варьироваться в результате изменения их состояния и соотношения между ними под влиянием внешних факторов. Наличие динамического равно-весия между постоянными ионными потоками определяет заряд мембраны ЖИВОЙ клетки. При гибели же клетки, когда активный транспорт выключается, происходит постепенное выравнивание состава внутриклеточной и внеклеточной сред.
МЕМБРАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ
Мембранный потенциал характеризует разность потенциалов поверхностей мембраны в результате избирательного переноса катионов и анионов. Различают потенциал покоя, местный потенциал действия.
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ. клетка находится в состоянии физиологического покоя, поверхность заряжена положительно, а внутри отрицательно.. Эта разность потенциалов получила название мембранного потенциала покоя.
Природа его возникновения и поддержания:
1. Неравномерное распределение концентраций ионов во внутри- и внеклеточном пространствах.
2. Различная проницаемость мембраны для ионов. Ионы К+ и С1+ проходят через нее легко. Na+— с трудом, а органические ионы вообще не проходят.
Всякая несущая электрический заряд частица (ион или полярная молекула), находящаяся в растворе, окружается сольватной оболочкой. Если растворитель - вода, то оболочка будет называться гидратной, а процесс -- гидратацией. Степень гидратации различных ионов и молекул неодинакова и зависит от размеров частиц и их зарядов. Чем выше удельная плотность заряда, тем сильнее гидратация. Поэтому ион калия, несмотря на большой радиус, имеющий больший (2.66 А) кристаллический диаметр по сравнению с ионом натрия (1.8 А), в гидратированной форме меньше гидратированного иона натрия. Таким образом, ионы К+ могут достаточно легко диффундировать через мембрану. Поскольку с внутренней стороны мембраны ионов К+ гораздо больше, чем снаружи, то имеет место чистый выход К+ из клетки, создаваемый более высокой внутриклеточной концентрацией или осмотическим давлением К+. Этот выходящий поток ионов К+ должен был бы вскоре выровнять осмотическое давление (пли концентрацию) этого иона, если бы ему не противодействовала эквивалентная противоположно направленная сила. Эта сила, действующая в противоположном направлении, обусловлена электрическим зарядом ионов К+. Вышедшие из клетки ионы К+ создают на наружной поверхности мембраны избыток положительно за-ряженных частиц. На внутренней же поверхности возникает избыток крупных молекул органических анионов, оставшихся без нейтрализующих их калий-положительных ионов. Благодаря электростатическим силам, вышедшие катионы К+ не могут далеко удалиться от наружной поверхности мембраны (положительно заряженные частицы, находящиеся вне клетки, прижимают их к мембране, а скопившиеся на внутренней поверхности отрицательно заряженные частицы стремятся "втащить" их обратно внутрь клетки). Однако высокий концентрационный градиент для калия препятствует этому. Мембранный потенциал продолжает нарастать до тех пор. пока сила, препятствующая выходу К+, не станет равной осмотическому давлению ионов К+. При таком уровне потенциала вход и выход К+ находятся в равновесии, поэтому он называется калиевым равновесным потенциалом, сокращенно Ек.
т. е. потенциал покоя близок к калиевому равновесному потенциалу, но не равен ему,
поскольку в его формировании помимо диффузии К+ принимают участие и другие механизмы.
Потенциал покоя зависит от следующих факторов.
1. Внеклеточной концентрации К+.
2. Катионов Na+, по градиенту концентрации поступающих в клетку. Но положительный заряд потока натрия значительно больше, чем противоположный поток ионов калия.
3. Ионов Сl В нервных клетках проницаемость для Сl обычно гораздо ниже, чем для К+. однако в мышечных волокнах наоборот. Распределение Сl по обе стороны мембраны противоположно распределению К+.
4. Работы натриевого насоса. Активный транспорт ионов Na и К против градиента концентраций. Мембранный механизм, поддерживающий определённое соотношение ионов Na+ и К+ в клетке. 3 Na наружу и 2 К внутрь. 3 положительных заряда выносятся и 2 заносятся, чтобы внутренняя поверхность мембраны оставалась отрицательно заряжена – электрогенный эффект насоса. Чем больше К внутри, тем быстрее он утекает по каналам утечки. Создается дополнительный положительный заряд снаружи – неэлектрогенный эффект насоса.
Следует обратить внимание на факт возникновения и поддержания потенциала покоя как активного саморегулирующегося процесса.
Функция мембранного потенциала покоя. В самой мембране потенциал покоя проявляется как электрическое поле значительной напряженности (10 В/см). Это воздействует на макромолекулы мембраны и придает их заряженным группам определенную пространственную ориентацию.
Особенно важно, что электрическое поле мембранного потенциала покоя обеспечивает закрытое состояние так называемых активационных ворот натриевых каналов и открытое состояние их инактивационных ворот, а следовательно, состояние покоя и готовности к возбуждению.
Наряду с мембранной теорией существуют и другие взгляды, изъясняющие формирование потенциала покоя.
Теория редокспотенциалов. Она объясняет возникновение электродвижущих сил (электрических потенциалов) в клетке, рассматриваемой в качестве редокссистемы (окислительно-восстановительная система), разным уровнем окислительно-восста-новительных процессов. Согласно этой теории, источником возникновения потенциалов на поверхности биологических мембран (потенциала покоя) являются высвобождающиеся при окислительно-восстановительных процессах электроны. Вследствие повышения интенсивности обмена веществ, под влиянием раздражений, окислительные процессы усиливаются и потенциал покоя может перейти в местный потенциал действия. Главной отличительной особенностью данной теории является то, что она ставит возникновение электрических потенциалов в зависимость от состояния метаболических процессов в клетке, а не только от обмена веществ мембраны, обеспечивающей активный транспорт.
Теория протонно-химических процессов. В соответствии с нею возникновение мембранного потенциала есть результат переноса положительно заряженных частиц — протонов.
Потенциал действия.
Возбуждение – клеток и тканей активно реагировать на раздражение. Возбудимость – это свойство ткани отвечать на возбуждение. 3 типа возбудимых тканей: нервная, железистая и мышечная.
Возбуждение представляет собой как бы взрывной процесс, возникающий в
результате изменения проницаемости мембраны под влиянием раздражителя.
Это изменение вначале относительно невелико и сопровождается лишь небольшой
деполяризацией, небольшим уменьшением мембранного потенциала в том месте,
где было приложено раздражение, и не распространяется вдоль возбудимой
ткани (это так называемое местное возбуждение). Достигнув критического –
порогового - уровня, изменение разности потенциалов лавинообразно нарастает
и быстро - в нерве за несколько десятитысячных долей секунды - достигает
своего максимума.
П.Д. возникает, когда мышечные клетки активны и возникает быстрый сдвиг мембранного потенциала в положительном направлении. При этом наружная поверхность участка становится заряжена отрицательно, внутренняя – положительно.
Возникает при первичной деполяризации мембраны до -50мВ – критический уровень деполяризации. Приводит к открытию потенциал зависимых Na+ и K+ каналов. Через него ионы устремляются по градиенту: Na вовнутрь, а K наружу (пассивный транспорт). Поступление натрия внутрь обеспечивает восходящую фазу ПД (деполяризации) и инверсию потенциала на мембране. Открытие калиевых каналов запаздывает, К начинает выходить из клеток и рост ПД замедляется – нисходящая фаза (реполяризация) и восстановление исходного потенциала. Причиной остановки деполяризации и развития реполяризации служат:
- увеличение деполяризации: МП достиг натриевого равновесия, электрохимический градиент для натрия уменьшается, т.е. уменьшается сила засасывания натрия.
- при деполяризации мембраны происходит закрытие натриевых каналов => уменьшается проницаемость натрия.
- открытие калиевых каналов, достигается калиевое равновесие.
В какой-то момент величина натриевого тока уравновеш с величиной калиевого тока => прекращается изменение МП, что соответствует пику ПД, но величина входящего натриевого тока уменьш, а К увеличивается, возникает смещение равновесия в сторону калиевого тока и нач процесс реполяризации.
В кардиомиоцитах возможно замедление МП и формируется плато.
Следовая гиперполяризация.
Обуславливается:
- ионной природой
- метаболической природой
Ионная природа СГ связана с тем, что после достижения заряда величины МПП, К-каналы еще какое то время остаются открытыми, в результате МП смещается и становится равным величине К-равновесия. При метаболической природе транспорт натрия обеспечивается Na- насосом, требующим АТФ.
В основе следовой деполяризации лежит ионный механизм: накапл К у наружн пов-ти мембраны. В результате инактивации Na-каналов формируется явление рефрактерности (способность клеток не отвечать на повт раздражение), но идет реполяризация. Фазы ПД: деполяризация, овершут («перебор», ПД больше 0), реполяризация, следовые потенциалы (гиперполяризационный и деполяризационный).