II. Основные этапы развития физиологии

Предмет и задачи физиологии

Физиология (от греч. физис – природа и логос – учение) – наука о природе, о существе жизненных процессов. Физиология человека изучает жизнедеятельность организма и отдельных его частей: клеток, тканей, органов, систем.

Предметом изучения физиологии являются функцииживого организма, их связь между собой, регуляция и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи.

Физиологическая функция – проявления жизнедеятельности организма и его частей, имеющие приспособительное значение и направленные на достижение полезного результата. В основе функции лежит обмен веществ, энергии и информации.

Нормальной физиология – учебная дисциплина в системе высшего медицинского образования. Ее задачи:

1. Обучение будущих врачей пониманию механизма функционирования каждого органа. Познание будущими врачами функции органов является непременным условием, основой понимания патогенеза нарушений и путей их коррекции. Вылечить – это, в конечном счете, восстановить нарушенную функцию.

2. Методическая подготовка будущего врача – т.е. знание принципов получения достоверной информации о деятельности органов и систем и грамотной ее интерпретации.

3. Оценка здоровья и путей его адаптации как к меняющейся экологической ситуации, так и к характеру деятельности.

I. Методы физиологических исследований

Выделяют следующие основные методы физиологии:

1. Наблюдение. Метод наиболее ранний, его использовали еще во времена античности (Гиппократ – теория темперамента), но недостаточно точный. Однако этот метод, начиная с работ XIX века, дополнен различными видами регистрации.

2. Эксперимент острый (Клавдий Гален, Уильям Гарвей) и хронический (И.П.Павлов).

3. Моделирование.

Эти методы лежат в основе конкретных методик:

1. Экстирпация.

2. Трансплантация.

3. Денервация.

4. Регистрация биопотенциалов.

5. Электростимуляция.

6. Визуализация (ЯМР-томография и ПЭТ).

II. Основные этапы развития физиологии

Официальной датой возникновения физиологии человека и животных как науки принят 1628 г. – год выхода в свет трактата В. Гарвея «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных». Это произведение послужило стимулом к изучению деятельности организма в экспериментах на животных как основного объективного источника знаний.

Д.С.Воронцов,– основатель отечественной электрофизиологии. П.Г.Костюк – директор ИФ. Крымская школа физиологии берет начало от этих ученых и их учеников (Б.М.Волынский).

III. Возбудимость

Основным свойством живых клеток является раздражимость, т. е. их способность реагировать изменением обмена веществ в ответ на действие раздражителей. Возбудимость – свойство клеток отвечать на раздражение возбуждением. К возбудимым относят нервные, мышечные и некоторые секреторные клетки. Возбуждение – ответ ткани на ее раздражение, проявляющийся в специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы) и неспецифических реакциях (метаболические изменения).

Одним из важных свойств живых клеток является их электрическая возбудимость, т.е. способность возбуждаться в ответ на действие электрического тока. Высокая чувствительность возбудимых тканей к действию слабого электрического тока впервые была продемонстрирована Гальвани в опытах на нервно-мышечном препарате задних лапок лягушки.

В конце XIX века стало очевидно, что электрические явления, которые возникают в возбудимых тканях, обусловлены электрическими свойствами клеточных мембран. Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции:

1. Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии.

2. Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в регуляции внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3. Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4. Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Современными методами электронной микроскопии была определена толщина клеточных мембран (6–12 нм). Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых неодинаково у разных типов клеток. В настоящее время можно говорить о нескольких видах моделей клеточной мембраны, среди которых наибольшее распространение получила жидкостно-мозаичная модель.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу. Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.В фосфолипидном бислое интегрированы глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Строение и функции ионных каналов. Ионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Сl^- проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (диаметр 0,5–0,7 нм). Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы. Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначительную часть поверхности клеточной мембраны.

Функцию ионных каналов изучают различными способами. Наиболее распространенным является метод фиксации напряжения. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране. Изучение функции отдельных каналов возможно методом локальной фиксации потенциала «раth-сlаmр». Стеклянный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разрежение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регистрируют активность одиночного канала. Система раздражения и регистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость. Селективность, или избирательность, канала обеспечивается его особой белковой структурой. Большинство каналов являются электроуправляемыми, т. е. их способность проводить ионы зависит от величины мембранного потенциала. Канал неоднороден по своим функциональным характеристикам, особенно это касается белковых структур, находящихся у входа в канал и у его выхода (так называемые воротные механизмы).

Рассмотрим принцип работы ионных каналов на примере натриевого канала. Полагают, что в состоянии покоя натриевый канал закрыт. При деполяризации клеточной мембраны до определенного уровня происходит открытие m-активационных ворот (активация) и усиление поступления ионов Na⁺ внутрь клетки. Через несколько миллисекунд после открытия т-ворот происходит закрытие h-ворот, расположенных у выхода натриевых каналов (инактивация). Инактивация развивается в клеточной мембране очень быстро и степень инактивации зависит от величины и времени действия деполяризующего стимула. Работа натриевых каналов определяется величиной мембранного потенциала в соответствии с определенными законами вероятности.

Кроме натриевых, в клеточных мембранах установлены другие виды каналов, избирательно проницаемых для отдельных ионов: К⁺, Са²⁺, причем существуют разновидности каналов для этих ионов. Для калиевых каналов процесс инактивации, как для нариевых каналов, не существует. Имеются особые калиевые каналы, активирующиеся при повышении внутриклеточной концентрации кальция и деполяризации клеточной мембраны. Активация калий-кальцийзависимых каналов ускоряет реполяризацию, тем самым восстанавливая исходное значение потенциала покоя.

Особый интерес представляют кальциевые каналы. Входящий кальциевый ток, как правило, недостаточно велик, чтобы нормально деполяризовать клеточную мембрану. Чаще всего поступающий в клетку кальций выступает в роли «мессенджера», или вторичного посредника. Активация кальциевых каналов обеспечивается деполяризацией клеточной мембраны, например входящим натриевым током.