Раздел 1 Структурно-функциональные основы жизни Базисные структуры и физиологические процессы

Раздел 1. Структурно-функциональные основы жизни. Базисные структуры и физиологические процессы.
3. Химическая организация клетки. Строение клетки.
Клетка представляет элементарную единицу строения и жизнедеятельности всех живых организмов, которая обладает собственным обменом веществ, а также способна к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.
Химический состав живой клетки представлен разнообразными неорганическими (вода, минеральные соли) и органическими веществами (углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты).
Большую часть клетки (70–80 % массы) составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерными компонентами клетки являются сложные полимеры – белки и нуклеиновые кислоты.
Белки, которые состоят из аминокислот, выполняют в клетке самые разнообразные функции – пластические, ферментативные, регуляторные, защитные, сократительные и другие. Одной из наиболее важных функций белков является ферментативная. Многие белки являются ферментами, то есть катализаторами, которые определяют скорость и направление протекающих в клетках химических реакций.
Нуклеиновые кислоты представлены в клетке двумя классами. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) находится в ядре клетки (у эукариотических организмов) и является главным носителем наследственной информации. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) участвуют в реализации наследственной информации, то есть в различных этапах экспрессии генов и синтеза белков. В клетке присутствуют информационные (или матричные) РНК, транспортные РНК, рибосомные РНК, а также другие классы РНК (например, малые ядерные РНК).
Углеводы в клетке выполняют, в первую очередь, энергетическую, а также рецепторную функции. Часто клетки содержат некоторое количество запасных веществ, служащих пищевым резервом. Растительные клетки в основном запасают крахмал – полимерную форму углеводов. В клетках печени и мышц запасается другой углеводный полимер – гликоген.
Жиры также выполняют энергетическую и пластическую функцию. Разновидность жиров – липиды – составляют основу плазматической мембраны клетки, отграничивающей ее от окружающей среды и обеспечивающей избирательный транспорт различных веществ.

Рис. 1. Упрощенная схема организации эукариотической клетки
Кроме плазматической мембраны в каждой эукариотической клетке, в том числе и в клетках человека, выделяют две основные части — цитоплазму и ядро. Исключением являются прокариотические клетки (бактерии и сине-зеленые водоросли), которые не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. В цитоплазме эукариотической клетки содержатся органоиды — мельчайшие структуры, которые обеспечивают жизнедеятельность клетки. Можно назвать следующие органоиды и их основные функции: митохондрии – энергетический обмен клетки, эндоплазматическая сеть (шероховатая и гладкая) – синтез белков и ряда других соединений, рибосомы – синтез белков, лизосомы – расщепление (гидролиз) сложных соединений, пероксисомы – утилизация активных форм кислорода, клеточный центр – формирование веретена деления. Ядро является местом хранения наследственной информации в форме ДНК, а также местом синтеза РНК и рибосом. В ядре перед делением клетки становятся видны особые нитевидные тельца — хромосомы. В соматических клетках человека содержится 23 пары (46) хромосом.

7. Рецепция. Классификация молекулярных (клеточных) рецепторов: гидрофильные (поверхностные), липофильные (цитоплазматические). Система вторых посредников (цАМФ, цГМФ, диацилглицерол, инозитолфофат, ионизированный кальций). Сигнализация с помощью цАМФ.

Клеточные рецепторы – это особые молекулы (как правило, белки, несущие углеводные остатки), которые способны воспринимать сигнальные молекулы (например, гормоны). Различные клетки организма в зависимости от выполняемых ими функций имеют определённый набор рецепторов. Взаимодействуя с рецептором, внеклеточные химические посредники оказывают влияние на метаболизм и функциональное состояние (пролиферация, секреция и т.д.) клеток-мишеней.
Гидрофильные рецепторы являются мембранными белками, которые погружены в липидный бислой или пронизывают мембрану насквозь. Лигандами для них являются водорастворимые пептидные гормоны (норадреналин, дофамин, серотонин, гистамин и др.), факторы роста и цитокины.
Липофильные рецепторы локализованы в цитоплазме. Лигандами для них являются стероидные гормоны надпочечников и половых желез, щитовидной железы, жирорастворимых витаминов (А ,D, Е, К). Липофильные лиганды проходят через мембрану в цитоплазму, где образуют комплексы со специфическими рецепторами. Эти комплексы транспортируются в клеточное ядро, где они взаимодействуют с ДНК, непосредственно влияя на процессы экспрессии генов.
Если сигнал воспринимается мембранными рецепторами, то схема передачи информации может быть представлена следующим образом:
– взаимодействие рецептора с сигнальной молекулой (первичным посредником);
– активация мембранного фермента, ответственного за образование вторичного посредника;
– образование вторичного посредника;
– активация вторичным посредником специфических белков, в основном протеинкиназ, которые, в свою очередь, фосфорилируют ферменты, и тем самым оказывают влияние на активность внутриклеточных процессов.
Несмотря на огромное разнообразие сигнальных молекул, рецепторов и процессов, которые они регулируют, существует всего несколько механизмов трансмембранной передачи информации: с использованием аденилатциклазной системы, инозитолфосфатной системы, каталитических рецепторов, цитоплазматических или ядерных рецепторов.
Сигнализация с помощью цАМФ действует на основе системы «аденилатциклаза – цАМФ». Мембранный фермент аденилатциклаза может находиться в двух формах – активированной и неактивированной. Под влиянием гормон-рецепторного комплекса в несколько этапов происходит активация аденилатциклазы. Связывание сигнальной молекулы с рецептором приводит к образованию комплекса гуанилового нуклеотида (ГТФ) и регуляторного стимулирующего белка (GS-белок), после чего этот GS-белок вызывает присоединение магния к аденилатциклазе и ее активацию.
Под влиянием аденилатциклазы из АТФ синтезируется цАМФ, который вызывает активацию протеинкиназ в цитоплазме клетки, что, в свою очередь, приводит к фосфорилированию многочисленных внутриклеточных белков. Как следствие, изменяется протекание внутриклеточных процессов.
Система «гуанилатциклаза – цГМФ». Активация мембранной гуанилатциклазы происходит не под непосредственным влиянием гормон-рецепторного комплекса, а опосредованно через ионизированный кальций и оксидантные системы мембран. Так реализуют свои эффекты натрийуретический гормон предсердий – атриопептид, тканевой гормон сосудистой стенки. В большинстве тканей биохимические и физиологические эффекты цАМФ и цГМФ противоположны. Примерами могут служить стимуляция сокращений сердца под влиянием цАМФ и торможение их цГМФ, стимуляция сокращений гладких мышц кишечника цГМФ и подавление цАМФ.
Кроме аденилатциклазной или гуанилатциклазной систем существует также механизм передачи информации внутри клетки-мишени с участием ионов кальция и инозитолтрифосфата.
Инозитолтрифосфат – это вещество, которое является производным сложного липида – инозитфосфатида. Оно образуется в результате действия специального фермента – фосфолипазы С, который активируется в результате конформационных изменений внутриклеточного домена мембранного белка-рецептора. Образование диацилглицерина и инозитолтрифосфата приводит к увеличению концентрации ионизированного кальция внутри клетки. Это приводит к активации многих кальций-зависимых белков внутри клетки, в том числе активируются различные протеинкиназы. В работе фосфоинозитидного механизма передачи сигналов в клетке-мишени принимает участие специальный кальций-связывающий белок – кальмодулин.

Раздел 2. Физиология возбудимых тканей
2. Законы раздражения возбудимых тканей: закон силы, «все или ничего», силы-длительности, раздражения (аккомодации) Дюбуа-Реймона

Закон силы – чем больше сила раздражителя, тем больше величина ответной реакции.
В соответствии с этим законом функционируют такие сложные структуры, как скелетная мышца. При постепенном увеличением силы раздражителя амплитуда ее сокращений постепенно будет изменяться от минимальных величин до субмаксимальных и максимальных значений.
Закон «все или ничего» – подпороговые раздражители не вызывают ответной реакции («ничего»), на пороговые раздражители возникает максимальная ответная реакция («все»).
По закону «все или ничего» сокращаются сердечная мышца и одиночное мышечное волокно. Закон «все или ничего» не носит абсолютного характера. На раздражители подпороговой силы не возникает видимой ответной реакции, но в ткани при этом происходят изменения мембранного потенциала покоя в виде возникновения местного возбуждения (локального ответа). Сердечная мышца, растянутая кровью, реагирует на раздражитель по закону «все или ничего», но амплитуда ее сокращения будет больше по сравнению с сокращением сердечной мышцы, не растянутой кровью.
Закон силы-длительности – раздражающее действие постоянного тока зависит не только от его величины, но и от времени, в течение которого он действует. Чем больше ток, тем меньше времени он должен действовать для возникновения возбуждения.
Графическое выражение этой зависимости получило название «кривая сила – длительность» (рис. 2).
Минимальная величина тока, которая способна вызвать возбуждение при неограниченно длительном его действии, называется реобазой (А). Время, за которое ток, равный реобазе, вызывает возбуждение, называется полезным временем (С).

Рис. 2. Кривая сила – длительность

В связи с тем, что определение этого времени затруднено, было введено понятие хронаксия – минимальное время, в течение которого ток, равный двум реобазам (D), должен действовать на ткань, чтобы вызвать ответную реакцию (F).
Закон аккомодации, или закон Дюбуа-Реймона, – раздражающее действие постоянного тока зависит не только от абсолютной величины силы тока или его плотности, но и от скорости нарастания тока во времени.
При действии медленно нарастающего раздражителя возбуждение не возникает, так как происходит приспосабливание возбудимой ткани к действию этого раздражителя, что получило название аккомодации. При снижении скорости нарастания силы раздражителя до некоторого минимального значения потенциал действия вообще не возникает.
Аккомодация объясняется тем, что при действии медленно нарастающего раздражителя в мембране возбудимой ткани происходит повышение критического уровня деполяризации. Способность к аккомодации различных структур неодинакова. Наиболее высокая она у двигательных нервных волокон, а наиболее низкая – у сердечной мышцы, гладких мышц кишечника, желудка.

14. Представления Н.Е. Введенского о физиологической лабильности. Лабильность различных звеньев нервно-мышечного препарата. Парабиоз и его фазы

Лабильность – способность ткани генерировать определенное число волн возбуждения в единицу времени в точном соответствии с ритмом наносимого раздражения. Лабильность можно также определить как функциональную подвижность, то есть свойство возбудимой ткани, определяющее ее функциональное состояние. Н.Е. Введенский предложил в качестве показателя лабильности максимальное число потенциалов действия, которое возбудимая ткань способна генерировать в 1 секунду в соответствии с ритмом действующего раздражителя. Например, лабильность нерва может достигать 1000 ПД/с, мышцы – 500 ПД/ с, синапса 50 ПД/с. Таким образом, в составе нервно-мышечного препарата наибольшая лабильность будет характерна для нерва, а минимальная – для нервно-мышечного синапса. Лабильность одних и тех же тканей может изменяться в зависимости от их функционального состояния. Лабильность определяется продолжительностью рефрактерного периода (периода временного снижения возбудимости одновременно с возникшим в ткани возбуждением). Чем короче рефрактерный период, тем больше лабильность. Например, при продолжительности периода абсолютной рефрактерности 4 мс максимальная частота равна 250 Гц.
Учение о парабиозе, разработанное Н. Е. Введенским, является продолжением его учения о лабильности и устанавливает связь между возбуждением и торможением как различных реакциях ткани на раздражение, исход которого зависит от лабильности. При высокой лабильности возникает возбуждение, снижение лабильности вызывает торможение.
Под парабиозом Н.Е. Введенский понимал состояние на грани жизни и гибели ткани, которое возникает при действии токсических веществ, например, некоторых накркотических препаратов, фенола, формалина, различных спиртов, щелочей и других, а также длительного действия электрического тока. Н.Е. Введенский описал три стадии парабиоза.
1. Уравнительная стадия, на которой ткань отвечает одинаковыми ответными реакциями на любые по силе раздражения.
2. Парадоксальная фаза, на которой наблюдается слабая реакция на сильное раздражение, тогда как на слабое раздражение может возникнуть очень бурная (неадекватная) реакция.
3. Тормозная стадия (собственно парабиоз), во время которой ткань не отвечает ни на какие раздражители.
После прекращения воздействия раздражителя происходит постепенное восстановление лабильности нерва, при этом указанные стадии ткань проходит в обратном порядке.

Раздел 3. Общие вопросы нейрогуморальной регуляции физиологических функций
3. Нейрон, его строение и функции. Классификация нейронов

Нейрон – основная структурная и функциональная единица нервной системы, обладающая специфическими проявлениями возбудимости. В составе нервной системы человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Основные функции нейронов – это восприятие сигналов, поступающих от рецепторов и других нейронов, их переработка и преобразование, а также передача к другим нервным клеткам или эффекторным органам (мышцы, железы). В совокупности, взаимодействуя друг с другом, нейроны образуют сложнейшие нейронные сети.
Размеры нейронов млекопитающих варьируют от 5 до 150 мкм, составляя в среднем 10–30 мкм. Форма нейронов, в том числе в составе нервной системы человека исключительно разнообразна. Чаще всего нейроны имеют неправильную форму. Различают звездчатые, шаровидные, веретеновидные, грушевидные, пирамидальные, многоугольные и другие нейроны.
Главная структурная особенность нейронов – наличие отростков, которые отходят от тела клетки, или перикариона. Обычно это один длинный отросток – аксон и несколько коротких разветвленных отростков – дендриты. Аксоны – неветвящиеся отростки нейрона, которые начинаются от тела клетки так называемым аксонным холмиком. Длина аксонов может быть более метра, диаметр составляет 1-6 мкм. Начальный сегмент аксона – так называемый аксонный холмик – является местом генерации нервных импульсов. Концевые участки аксона — терминали — ветвятся и контактируют с другими нервными, мышечными или железистыми клетками. Специфическая функция аксона – проведение потенциала действия от тела клетки к другим клеткам или периферическим органам. Другая его функция – аксонный транспорт веществ.
Аксоны многих нейронов покрывает так называемая миелиновая оболочка. При этом скорость проведения импульсов в миелинизированных (мякотных) нервных волокнах выше, чем в немиелинизированных (безмякотных).
Дендриты – короткие дихотомически ветвящиеся отростки. По дендритам импульсы следуют к телу клетки. На многих дендритах имеются специальные образования — дендритные шипики, которые объединяются в кластеры шипиков. Чем сложнее функция нервной системы, тем больше «шипиков» на дендритах нейронов.

Рис. 3. Классификация нейронов по количеству отростков

По количеству отростков нейроны делятся на три группы (рис. 3):
1. Униполярные нейроны имеют один отросток. По мнению большинства исследователей, такие нейроны не встречаются в нервной системе млекопитающих и человека.
2. Биполярные нейроны – имеют два отростка: аксон и дендрит. Разновидностью биполярных нейронов являются псевдоуниполярные нейроны спинномозговых ганглиев, где оба отростка (аксон и дендрит) отходят от единого выроста клеточного тела.
3. Мультиполярные нейроны – имеют один аксон и несколько дендритов. Они присутствуют во всех отделах нервной системы.
7. Торможение в ЦНС. Классификация видов торможения

Торможение в центральной нервной системе – это активный процесс, который внешне проявляется в ослаблении или в полном подавлении процесса возбуждения и характеризуется определенной длительностью и интенсивностью.
Торможение является обязательным компонентом нормального функционирования ЦНС. В норме оно неразрывно связано с возбуждением, ограничивая чрезмерное распространение возбуждения.
Первичное торможение развивается с участием специальных тормозных нейронов, которые выделяют соответствующие нейромедиаторы. Вторичное торможение развивается в тех же клетках, которые перед этим находились в состоянии возбуждения, без участия специальных тормозных клеток.
Первичное торможение, в свою очередь, подразделяется на несколько видов.
Постсинаптическое торможение представляет основной вид первичного торможения и вызывается возбуждением клеток Реншоу и вставочных нейронов и высвобождением ими тормозного медиатора. Наиболее распространенным тормозным медиатором является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Действие тормозных медиаторов приводит к гиперполяризации постсинаптической мембраны в виде тормозных постсинаптических потенциалов, что вызывает урежение или полное прекращение генерации потенциалов действия.
В случае возвратного торможения возбуждение нейрона приводит к возбуждению соответствующего тормозного нейрона, который тормозит первый нейрон. Возвратное торможение возникает под действием возвратной коллатерали аксона нервной клетки.
В случае реципрокного торможения возбуждение одной группы нервных клеток приводит к развитию в другой группе клеток торможения с участием вставочного нейрона.
Пресинаптическое торможение возникает в аксоаксональных синапсах и блокирует дальнейшее распространение возбуждения по аксону.
К вторичному возбуждению относят пессимальное торможение и торможение вслед за возбуждением.
Пессимальное торможение развивается при высокой частоте раздражения, что приводит к сильной деполяризации постсинаптической мембраны, и имеет выраженное защитное значение, предохраняя нейрон от чрезмерных перегрузок.
Торможение вслед за возбуждением связано с развитием следовой гиперполяризации мембраны, которая возникает в конце цикла формирования потенциала действия.

Раздел 4. Обмен веществ и энергии. Терморегуляция.
3. Обмен белков. Полноценные и неполноценные белки. Азотистый коэффициент. Азотистое равновесие, положительный и отрицательный азотистый балансы. Регуляция белкового обмена

Белки в организме выполняют пластическую и, в меньшей степени, энергетическую функции. Пластическая функция белка состоит в восполнении и новообразовании различных структурных компонентов клетки. Энергетическая функция заключается в обеспечении организма энергией, образующейся при расщеплении белков.
Для нормального обмена белков необходимо поступление с пищей в организм различных аминокислот. Из 20 аминокислот, которые входят в состав белков пищи, 12 так называемых заменимых аминокислот синтезируются в организме, а 8 незаменимых аминокислот – не синтезируются. Для человека незаменимыми аминокислотами являются лейцин, изолейцин, валин, метионин, лизин, треонин, фенилаланин, триптофан. Если с пищей не поступает достаточное количество незаменимых аминокислот, это приводит к резким нарушениям процессов белкового обмена.
Так как белки пищи неодинаковы по своему аминокислотному составу и в разной степени могут быть использованы для пластических нужд организма, было введено понятие биологической ценности белков пищи. Биологически полноценными считаются белки, которые содержат весь необходимый набор аминокислот в пропорциях, обеспечивающих нормальные процессы синтеза собственных белков организма. Белки, которые не содержат тех или иных аминокислот или содержат их в очень малых количествах, являются биологически неполноценными. Наиболее высокой биологической ценностью характеризуются белки мяса, яиц, рыбы, молока.
Под азотистым балансом понимают соотношение количества азота, который поступил в организм с пищей и был выведен из организма. Так как основной источник поступления азота в организм – это белок, то показатели азотистого баланса отражают состояние белкового обмена, а именно соотношение поступившего и метаболизированного в организме белка. Количество азота, поступившего с пищей, всегда больше количества усвоенного азота, так как часть его теряется с калом.
Если поступление азота превышает его выделение, азотистый баланс положительный, а синтез белка преобладает над его распадом. Устойчивый положительный азотистый баланс наблюдается всегда при увеличении массы тела. Он отмечается в период роста организма, во время беременности, в периоде выздоровления после тяжелых заболеваний, а также при усиленных спортивных тренировках, сопровождающихся увеличением массы мышц.
Если количество азота, выведенного из организма, превышает количество поступившего азота, азотистый баланс отрицательный. Отрицательный азотистый баланс отмечается при белковом голодании, а также в случаях, когда в организм не поступают отдельные необходимые для синтеза белков аминокислоты.
Регуляция обмена белков осуществляется с участием ряда гормонов.
Соматотропный гормон гипофиза (гормон роста) стимулирует процессы синтеза белка за счет повышения проницаемости клеточных мембран для аминокислот, усиления синтеза РНК в ядре клетки и подавления синтеза катепсинов — внутриклеточных протеолитических ферментов.
Гормоны щитовидной железы – тироксин и трийодтиронин в определенных концентрациях могут стимулировать синтез белка и благодаря этому активизировать рост, развитие и дифференциацию тканей и органов.
Гормоны коры надпочечников — глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортикостерон) усиливают распад белков в тканях. Однако в печени глюкокортикоиды, наоборот, стимулируют синтез белка.

7. Основные способы реагирования живых организмов на температуру окружающей среды. Понятие о гомойотермных, пойкилотермных и гетеротермных организмах

В процессе эволюции у живых организмов выработались целый спектр адаптационных механизмов, позволяющих поддерживать обмен веществ в условиях меняющейся температуры окружающей среды. Условно их можно разделить на две группы. К одной из них относятся различные биохимические и физиологические перестройки, приобретенные в ходе эволюции и позволяющие переносить понижение или повышение температуры внутренней среды. В другую группу можно выделить способность организмов к поддержанию температуры тела на более стабильном уровне, чем температура окружающей среды.
Жизнедеятельность и активность большинства видов на Земле зависят от тепла, поступающего извне, а температура тела – от внешней температуры. Такие организмы называют пойкилотермными. Этот термин обозначает изменчивость теплового режима организмов в зависимости от внешних температурных условий. Пойкилотермность характерна для подавляющего большинства живых организмов. Только две группы высших животных – птиц и млекопитающих относят к гомойотермным. Они способны поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды.
Среди истинно гомойотермных животных выделяют группу гетеротермных. В нее входят виды, впадающие в спячку или временное оцепенение. Эти виды в активном состоянии поддерживают постоянную температуру тела, а в неактивном температура их тела понижается, что сопровождается замедлением обмена веществ. Примерами таких видов являются сурки, суслики, летучие мыши, сони, ежи, колибри, стрижи и др.
Пойкилотермные и гомойотермные организмы по-разному реализуют возможности температурных адаптаций.
Основные способы регуляции температуры тела у пойкилотермных животных – поведенческие: перемена позы, активный поиск благоприятных мест обитания, целый ряд специализированных форм поведения, направленных на создание микроклимата (рытье нор, сооружение гнезд и др.).
Для теплокровных животных характерно рефлекторное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды. У многих теплокровных животных наблюдается мышечная дрожь – несогласованное сокращение мышц, приводящее к выделению тепловой энергии. Кроме того, клетки мышечной и многих других тканей начинают выделять тепло без осуществления рабочих функций, приходя в состояние особого терморегуляционного тонуса.
Также для теплокровных животных характерны разнообразные способы физической терморегуляции, к которым относят рефлекторное сужение и расширение кровеносных сосудов кожи, меняющее ее теплопроводность, изменение теплоизолирующих свойств меха и перьевого покрова, противоточный теплообмен путем контакта сосудов при кровоснабжении отдельных органов, регуляцию испарительной теплоотдачи (например, часто дыхание у собак в жаркую погоду). Все эти приспособительные механизмы направлены на изменение соотношения процессов теплопродукции и теплоотдачи при изменении температуры окружающей среды.

Литература
Физиология человека / Под ред. Покровского В.М., Коротько Г.Ф. 2-е изд., перераб. и доп. – М., 2003.
Орлов Р. С., Ноздрачев А. Д. Нормальная физиология. Изд.: ГЭОТАР-Медиа, 2009.
Боголюбова И.О. Анатомия человека, часть 1. Цитология и гистология. Изд. Института биологии и психологии человека. СПб. 2004.
Чернова Н.И., Былова А.М. Общая экология. М.: Дрофа, 2004.