- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
– |
gK |
( |
VM |
– |
EK |
) |
= |
gNa |
( |
VM |
– |
ENa |
) |
(4)
|
Ясно, что если gK > gNa , то VM должен быть ближе к ЕK, чем к ENa, и наоборот. Решая уравнение (4) при VM = Eрев, получаем
Eрев |
= |
( |
gK |
/ |
gNa |
+ |
gK |
) |
EK |
+ |
( |
gNa |
/ |
gK |
+ |
gNa |
) |
ENa |
(5)
|
Отсюда ясно, что Eрев равен не просто алгебраической сумме ENa и ЕК , а некоторому промежуточному значению между этими двумя равновесными потенциалами и зависит от отношения gNa / gK. Значит, если gNa и gK будут одинаковы (такая ситуация наблюдается, например, при возбуждении каналов двигательной концевой пластинки мышечного волокна лягушки ацетилхолином), то мембранный потенциал сместится к потенциалу реверсии, значение которого будет находиться ровно посередине между ЕNa и ЕК:
Eрев |
= |
½ |
( |
EK |
+ |
ENa |
) |
Для мышечного волокна лягушки ЕК составляет около —100 мВ, a ЕNa – примерно + 60 мВ. Значит, потенциал реверсии для постсинаптического тока будет равен Eрев = 1/2 (–100 + 60) = – 20 мВ. Измерение потенциала реверсии для постсинаптического тока в нервно–мышечном синапсе лягушки показало, что он равен –10мВ, т.е. несколько положительнее. Это связано с тем, что gNa немного превышает gK.
Итак, потенциалы реверсии для различных трансмембранных токов зависят от того, какие ионы являются носителями этих токов, каковы равновесные потенциалы для этих ионов и их относительные проницаемости.
6.12. Резюме
Элементарной структурной единицей нервной системы является нервная клетка – нейрон. Нейроны взаимодействуют друг с другом или с эффекторными клетками, передавая электрические или химические сигналы через синапсы. Обычно нейроны состоят из следующих компонент.
1. Тело, или сома, содержащее ядро.
2. Разное число дендритов, на которых образуют синаптические окончания отростки других нейронов (у некоторых нервных клеток синаптические окончания образуются также на теле).
3. Аксон, по которому нервные импульсы поступают к пресинаптическим окончаниям.
4. Пресинаптические окончания, из которых в ответ на поступление импульсов выделяется медиатор.
В нервной системе существуют два типа сигналов: 1) градуальные, нераспространяющиеся изменения потенциала; 2) импульсные, распространяющиеся потенциалы действия. Обычно при передаче информации в нервной системе эти два вида сигналов чередуются: градуальные потенциалы возникают в рецепторах и постсинаптических мембранах, а ПД – в основном в аксонах и связанных с ними структурах. При этом величина сигнала может кодироваться как амплитудой градуальных потенциалов, так и частотой ПД.
В распространении импульсов по аксону участвуют два процесса: 1) проведение тока в продольном направлении в соответствии с кабельными свойствами волокна; 2) регенерация сигнала, происходящая по всей длине волокна. Эта регенерация обусловлена возбуждением новых натриевых каналов в ответ на деполяризацию мембраны ранее невозбужденного участка под действием местных токов, распространяющихся по аксону впереди импульса. Поскольку потенциалы действия распространяются по аксонам таким регенеративным способом без затухания, они используются для передачи информации от одного участка нервной системы к другому. Скорость распространения импульсов зависит от диаметра аксона и (в некоторых волокнах позвоночных животных) от наличия изолирующей миелиновой оболочки, покрывающей все волокно, за исключением небольших участков – перехватов Ранвье. В таких миелинизированных волокнах осуществляется сальтаторное (скачкообразное) проведение от одного перехвата к другому, при котором ПД как бы «перескакивает» через покрытые миелином участки. При этом скорость проведения возрастает.
Существуют две основные разновидности синапсов – электрические и химические. В электрических синапсах сигналы передаются в основном так же, как и по волокну: ток течет из одной клетки в другую через участки с низким сопротивлением (в частности, через щелевые контакты). Этот ток и вызывает деполяризацию постсинаптической клетки. При химическом проведении из пресинаптического окончания выделяется медиатор, взаимодействующий с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. В результате в этой мембране открываются каналы для тех или иных ионов и возникает ионный ток, генерирующий постсинаптический потенциал. Химические синапсы обладают тремя преимуществами по сравнению с электрическими: 1) постсинаптический ток может оказывать как возбуждающее, так и тормозное действие; 2) источником постсинаптического тока служит постсинаптическая мембрана, поэтому возбуждение крохотного пресинаптического волокна может вызывать – через влияние медиатора на постсинаптические каналы – большой постсинаптический ток; 3) создаются большие возможности для синаптической интеграции.
В возбуждающих синапсах медиатор вызывает такие изменения ионной проницаемости, при которых мембранный потенциал сдвигается в сторону порогового уровня возникновения ПД. В тормозных же синапсах медиатор вызывает изменения проводимости мембраны, препятствующие ее деполяризации до порогового уровня. Любой медиатор не является всегда и во всех условиях либо возбуждающим, либо тормозным; его влияние зависит от того, какие (для каких ионов) постсинаптические каналы будут открываться в ответ на его действие, и от потенциала реверсии для тока, текущего через эти каналы.
Как возбуждающие, так и тормозные медиаторы хранятся в пузырьках (везикулах) нервных окончаний, и именно из этих пузырьков они выделяются в синаптическую щель.
Когда в пресинаптическое волокно приходит ПД, это волокно деполяризуется и в него входят ионы Са2+ . По какому–то пока еще не известному механизму ионы кальция увеличивают вероятность слияния пузырьков с мембраной пресинаптического окончания и выделения их содержимого в синаптическую щель путем экзоцитоза. После выброса медиатора мембрана пузырьков снова захватывается окончанием (экзоцитоз) и используется для образования новых везикул.
В постсинаптических клетках в соответствии с их электрическими свойствами происходит временная и пространственная суммация синаптических потенциалов. Интеграция синаптических эффектов осуществляется путем сложения всех синаптических токов, и ее конечным результатом является деполяризация мембраны в области зоны генерации импульса. Поскольку постсинаптические клетки обладают определенной постоянной времени, временная суммация может происходить даже в том случае, когда синаптические токи не накладываются друг на друга во времени.
Активное функционирование синапсов может приводить к некоторым изменениями эффективности синаптической передачи. Было показано, что в ряде случаев эти изменения связаны с тем, что меняется количество медиатора, выделяемого в ответ на поступление импульсов в пресинаптическое волокно. На эффективность синаптической передачи могут влиять модуляторы, выделяемые «третьим» (не участвующим непосредственно в передаче) нейроном или эндокринными железами. Под действием этих модуляторов изменяется количество ионов Са2+, входящих в окончание в ответ на ПД, и, следовательно, доза медиатора, выбрасываемого в синаптическую щель.