Лабораторная работа физиологические свойства клеточной мембраны. Программа элективного курса по биологии "загадки живой клетки". Действием физических и химических

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра физиологии и биохимии растений

ФИЗИОЛОГИЯ

РАСТИТЕЛЬНОЙ

КЛЕТКИ

к лабораторным занятиям практикума

«Физиология растений»

для студентов биологического факультета

В. М. Юрин, А. П. Кудряшов, Т. И. Дитченко, О. В. Молчан, И И. Смолич Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 16 июня 2009 г., протокол № Рецензент кандидат биологических наук, доцент М. А. Джус Физиология растительной клетки: метод. рекомендации к лабораторным занятиям практикума «Физиология растений» для Ф студентов биологического факультета / В. М. Юрин [и др.].

– Минск: БГУ, 2009. – 28 с.

Данное пособие является составным элементом учебно-методического комплекса по дисциплине «Физиология растений» и включает в себя лабораторные работы по разделу «Физиология растительной клетки».

Предназначено для студентов биологического факультета, обучающихся по специальностям «Биология» и «Биоэкология».

УДК 581. ББК 28. © БГУ,

ОТ АВТОРОВ

Методические рекомендации к лабораторным занятиям являются неотъемлемой частью курса «Физиология растений». Цель издания – активизация самостоятельной работы студентов с учетом того, что индивидуальный процесс обучения должен быть эффективным. Практикум по курсу «Физиология растений» предназначен для закрепления теоретического материала, приобретения навыков практической работы и ознакомления с основными методами исследований физиологических процессов растений. Студентам предлагаются задания, детализирующие фактический материал, которым они должны овладеть самостоятельно.

Это позволит использовать аудиторное время более эффективно.

1. РАСТИТЕЛЬНАЯ КЛЕТКА КАК

ОСМОТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Осмотические системы – это системы, состоящие из двух растворов веществ разных концентраций или раствора и растворителя, разделенных полупроницаемой мембраной. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы растворителя и не проницаема для молекул растворенного вещества. Во всех биологических системах растворителем служит вода. Разница в составе и концентрации веществ по обе стороны полупроницаемой мембраны является причиной осмоса – направленной диффузии молекул воды через полупроницаемую мембрану.

Если абстрагироваться от детального строения растительной клетки и рассматривать ее с точки зрения осмотической модели, то можно утверждать, что растительная клетка представляет собой живую осмотическую систему.

Плазматическая мембрана полупроницаема, а цитоплазма и тонопласт выступают как единое целое. Снаружи от полупроницаемой мембраны находится клеточная стенка, которая хорошо проницаема для воды и растворенных в ней веществ и не препятствует перемещению воды. Основную роль осмотического пространства клетки играет вакуоль, которая заполнена водным раствором различных осмотически активных веществ – сахаров, органических кислот, солей, растворимых в воде пигментов (антоцианов и др.). Однако это достаточно упрощенное представление о клетке как об осмотической системе, поскольку любая органелла цитоплазмы, окруженная мембраной, также представляет собой осмотическую ячейку. В результате осмотическое передвижение воды происходит и между отдельной органеллой и цитозолем.

МОДЕЛИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

Вводные замечания. Уникальные физико-химические характеристики биомембран обеспечивают поступление воды и создание высокого гидростатического давления (тургора) в растительной клетке, сохранение анизотропного распределения веществ между клеткой и окружающей ее средой, избирательное поглощение и выделение веществ, и ряд других функций.

Гипотеза о существовании плазматической мембраны на поверхности клетки была выдвинута во второй половине XIX в. Научное обоснование этой гипотезы (концепции) дал В. Пфеффер на основе объяснения явлений плазмолиза и деплазмолиза. По мнению Пфеффера, эта мембрана, обладала свойством «полупроницаемости», т. е. была проницаема для воды и непроницаема для растворенных в воде веществ. В последующие годы были проведены исследования, позволившие не только доказать существование подобной структуры на поверхности клетки, но и изучить некоторые свойства этой невидимой в оптические микроскопы структуры. Однако, вплоть до второй половины ХХ в. биомембраны оставались лишь гипотетическими структурами живой клетки. Поэтому исследователи для демонстрации тех или иных свойств плазматической мембраны и объяснения закономерностей функционирования связанных с плазмалеммой механизмов создавали модели клеток («искусственные клетки»).

В разные периоды времени появились модельные системы – «искусственные клетки» Пфеффера, Траубе, Якобса и др. Первые две из упомянутых моделей демонстрировали явления осмоса, третья – закономерности переноса через биомембрану слабых электролитов. При выполнении лабораторной работы предлагается создать модельные системы «искусственная клетка» по Траубе и Якобсу (в модификации).

При формировании моделей «искусственной клетки» Пфеффера и Траубе на границе контакта растворов желтой кровяной соли и медного купороса образуется нерастворимая в воде аморфная масса железосинеродистой меди, обладающая почти идеальными осмотическими свойствами – проницаемостью для воды и непроницаемостью для растворенных веществ. Поскольку мембрана из железосинеродистой меди разделяет два раствора, то направление и величина потока воды через нее будут определяться разностью химических потенциалов молекул воды по разные стороны мембраны. Если бы такая мембрана разделяла два раствора одного и того же вещества, то химический потенциал молекул воды был бы выше в более разбавленном растворе, и вода двигалась бы со стороны раствора меньшей концентрации. При определении направления движения воды в системе, содержащей разные вещества по обе стороны мембраны, следует учитывать степень диссоциации веществ, валентность и проницаемость мембраны для ионов. Для упрощения обсуждения эксперимента по получению «искусственной клетки» по Траубе предполагаем, что мембрана из железосинеродистой меди абсолютно непроницаема для растворенных веществ, степень диссоциации желтой кровяной соли и медного купороса в растворах одинакова. В этом случае для сравнения величин химического потенциала молекул воды можно пользоваться нормальными концентрациями указанных солей.

Основные закономерности процесса диффузии веществ различной полярности через плазматические мембраны были установлены в первой половине ХХ века. Согласно исследованиям Колландера и Барлунда коэффициент проницаемости мембраны к какому-либо веществу может быть предсказан по молекулярной массе последнего и коэффициенту равновесного распределения (kр) его между водой и растительным маслом:

где СМ и СВ – концентрации вещества, которые установились в системе контактирующих между собою растворителей – масло и вода – в состоянии равновесия. Для большинства веществ, диффундирующих через плазматическую мембрану, отмечается прямая пропорциональность между произведением Рi M i и kр (Pi – коэффициент проницаемости мембраны по отношению к веществу i; Мi – молекулярная масса вещества i).

Коэффициент kр в данном случае выступает как количественная мера степени гидрофобности: более гидрофобные вещества аккумулируются в масле и характеризуются большим значением kр, гидрофильные наоборот – накапливаются в водной фазе, для них величина kр меньше. В соответствии с этим неполярные соединения должны проникать внутрь клетки в результате процесса диффузии через слой мембранных липидов легче, чем полярные. Степень гидрофобности определяется структурой молекулы вещества. Однако показатели гидрофобности вещества в значительной мере зависят от степени ионизации его молекул в растворе. В свою очередь, степень ионизации многих органических и неорганических веществ (слабых электролитов) определяется величиной рН раствора.

«Искусственная клетка» Якобса моделирует избирательную проницаемость плазматической мембраны растительных клеток по отношению к электрически нейтральным молекулам слабых электролитов. В своей оригинальной конструкции «искусственной клетки» Якобс использовал в качестве аналога плазмалеммы лоскут лягушачьей кожи. В предлагаемой для выполнения работе в качестве модели плазмалеммы используется пленка из гидрофобного (полимерного) материала. Это сделано не только из соображений гуманности – полимерная пленка более наглядно моделирует физико-химические свойства липидного бислоя плазмалеммы.

Являясь слабым основанием, аммоний существует в водных растворах в виде NH3 и NH4+, соотношение концентраций которых зависит от рН среды и для разбавленных водных растворов определяется показателем константы диссоциации рКа, который при 25 оС равен 9,25:

где и – концентрации молекул аммиака и ионов аммония соответственно.

Если через мембрану могут проникать лишь незаряженные молекулы аммиака, то нетрудно показать, что концентрации ионов аммония по разные стороны мембраны в равновесии будут зависеть от рН контактирующих с мембраной растворов. Для демонстрации процесса переноса аммиака через мембрану в «искусственной клетке» Якобса используется его способность сдвигать рН.

Цель работы. Получить «искусственные клетки» методами Траубе и Якобса и пронаблюдать явление осмоса – перемещение воды через полупроницаемую мембрану по градиенту осмотического потенциала.

Материалы и оборудование: 1,0 N растворы желтой кровяной соли, медного купороса, хлорида аммония, гидрата окиси натрия и соляной кислоты, 1 % водноспиртовой раствор нейтрального красного, бумага индикаторная универсальная, фрагменты оплавленных с торца стеклянных трубок, полимерная пленка, нитки, пробирки, 3 стакана вместимостью 150–200 мл, секундомер.

1. Получение «искусственной клетки» Траубе. Путем разбавления приготовьте 1,0 N раствор желтой кровяной соли (K4Fe(CN)6), 0,5 N и 1, N растворы медного купороса (CuSO45 H2O). Возьмите две пробирки. В одну налейте 0,5 N, а в другую 1,0 N раствор медного купороса. Осторожно пипеткой по стенке пробирок введите в каждую 1,0 N раствор желтой кровяной соли. На поверхности контакта растворов медного купороса и желтой кровяной соли образуется мембрана из железосинеродистой меди:

Аморфный осадок железосинеродистой меди обладает почти идеальными осмотическими свойствами, поэтому при различии величин химического потенциала молекул Н2О должен наблюдаться поток воды, который приводит к изменению объема «искусственной клетки». Следует отметить, что мембрана из железосинеродистой меди обладает слабой эластичностью. Поэтому при увеличении объема «искусственной клетки» мембрана рвется.

Задание. Проследите за поведением «искусственных клеток» в 0,5 N и 1,0 N растворах медного купороса. Зарисуйте «искусственные клетки»

и опишите динамику изменения их формы.

2. Получение «искусственной клетки» Якобса. Путем разбавления приготовьте 200 мл 0,5 N раствора хлорида аммония и 100 мл 0,5 N гидрата окиси натрия. Налейте раствор гидрата окиси натрия в стакан, а раствор хлорида аммония разделите на две равные части и перелейте их в стаканы, вместимостью 150–200 мл. Пользуясь индикаторной бумагой и 1,0 N растворами соляной кислоты и гидрата окиси натрия, доведите показатель кислотности раствора в первом стакане до рН 9,0, а во втором – до рН 7,0.

Возьмите 3 фрагмента стеклянной трубки. На оплавленный торец каждого положите по лоскуту полимерной пленки и тщательно перевяжите их нитью. К 50 мл воды добавьте 5–10 капель раствора нейтрального красного и слегка подкислите среду 1–2 каплями соляной кислоты.

Указанным раствором индикатора заполните на «искусственные клетки» Якобса (фрагменты стеклянных трубок с мембранами). Поместите «искусственные клетки» Якобса в стаканы с растворами гидрата окиси натрия и хлорида аммония таким образом, чтобы указанные среды контактировали с полимерной мембраной.

Аммиак способен диффундировать через гидрофобную фазу полимерной мембраны. А поскольку внутри «искусственной клетки» его концентрация ничтожно мала, то молекулы NH3 переносятся из раствора внутрь «клетки» и вызывают подщелачивание содержимого стеклянной трубки, что отмечается по исчезновению малиново-красной окраски «внутриклеточного» содержимого.

Задание. Определите время, необходимое для исчезновения красной окраски индикатора в каждом из вариантов опыта.

1. Почему у поверхности «искусственной клетки» в 0,5 N растворе медного купороса увеличивается концентрация соли?

2. Почему «искусственная клетка» в 0,5 N растворе медного купороса разбухает, а в 1,0 N растворе ее поверхность стабильна?

3. От каких факторов зависит степень диссоциации слабых кислот и оснований?

4. Почему при помещении «искусственной клетки» в раствор гидрата окиси натрия не отмечает исчезновения окраски нейтрального красного?

5. Почему при помещении «искусственной клетки» в нейтральный раствор хлорида аммония отмечается сдвиг рН «внутриклеточного» содержимого до слабо основных значений?

6. Что такое осмос?

7. Какие растворы называются гипо-, изо- и гипертоническими?

ЯВЛЕНИЕ ПЛАЗМОЛИЗА И ДЕПЛАЗМОЛИЗА

РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Процесс выхода воды из растительной клетки и поступления ее в клетку через полупроницаемую мембрану можно проследить, наблюдая явления плазмолиза и деплазмолиза. При помещении клетки в гипертонический по отношению к клеточному соку раствор происходит плазмолиз – отделение протопласта от клеточной стенки изза уменьшения его объема вследствие выхода воды из клетки в наружный раствор. В ходе плазмолиза форма протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в некоторых местах, чаще всего уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым. При увеличении продолжительности инкубации растительной клетки в гипертоническом растворе наблюдается следующая форма плазмолиза – вогнутый плазмолиз. Для него характерно сохранение контактов протопласта с клеточной стенкой в отдельных местах, между которыми отделившиеся поверхности протопласта приобретают вогнутую форму. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого.

После замены наружного раствора на чистую воду последняя начинает поступать внутрь клетки. Объем протопласта при этом увеличивается и происходит деплазмолиз. После его завершения протопласт вновь заполняет весь объем клетки.

Цель работы. Доказать на основании явлений плазмолиза и деплазмолиза, что растительная клетка – это осмотическая система.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор сахарозы, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

С выпуклой стороны поверхности чешуи лука, клетки которого окрашены в фиолетовый цвет благодаря присутствию в вакуолях антоцианов, препаровальной иглой снимают эпидермис, помещают его в каплю воды на предметное стекло, накрывают покровным стеклом и рассматривают в микроскоп. Затем заменяют воду 1 М раствором сахарозы. Для этого наносят на предметное стекло рядом с покровным большую каплю раствора и отсасывают воду кусочком фильтровальной бумаги, прикладывая его с другой стороны от покровного стекла. Повторяют этот прием 2–3 раза до полной замены воды раствором. Препарат рассматривают под микроскопом. Обнаруживают постепенное отставание протопласта от стенок клетки сначала в уголках, а затем и по всей поверхности стенок. В конце концов, протопласт полностью отделяется от клеточной стенки и принимает округлую форму.

Затем описанным выше способом заменяют 1 М раствор сахарозы на воду. Вода поступает в клетку, что приводит к увеличению объема протопласта, который постепенно занимает прежнее положение. Клетка возвращается в первоначальное состояние.

Задание. Зарисовать наблюдаемые формы плазмолиза, а также стадии деплазмолиза. Сформулировать выводы.

1. Какие особенности строения растительной клетки придают ей свойства осмотической системы?

2. Что такое плазмолиз? Охарактеризуйте основные формы плазмолиза.

3. Что такое деплазмолиз? В каких условиях он наблюдается?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

КЛЕТОЧНОГО СОКА ПЛАЗМОЛИТИЧЕСКИМ

МЕТОДОМ

Вводные замечания. При контакте двух растворов, содержащих разное количество растворенных веществ, вследствие присущего молекулам теплового движения происходит взаимная диффузия, которая приводит к выравниванию концентрации растворенных веществ во всем объеме, что равноценно ситуации перемешивания жидкостей. Если же эти растворы разделены полупроницаемой мембраной, задерживающей молекулы растворенных веществ, то через границу контакта растворов будут проходить лишь молекулы растворителя (воды). Причем, возникает однонаправленный ток воды через мембрану (осмос). Давление, которое надо приложить к одному из растворов системы, чтобы воспрепятствовать поступлению в него растворителя, называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления раствора прямо пропорциональна его концентрации и абсолютной температуре. Вант-Гофф установил, что осмотическое давление разбавленных растворов подчиняется газовым законам и может быть рассчитано по формуле:

где R – газовая постоянная (0,0821); Т – абсолютная температура (273 оС + t оС) раствора; С – концентрация растворенного вещества в молях; i – изотонический коэффициент.

Величина изотонического коэффициента определяется особенностями процессов растворения вещества. Для неэлектролитов (например, для сахарозы) i равен 1. Для растворов электролитов величина i зависит от числа ионов, на которые распадается молекула, и от степени диссоциации. Значения i для растворов NaCl даны в таблице.

Значения изотонического коэффициента растворов хлорида натрия Концентрация NaCl Значение i Величина осмотического давления клеточного сока выражает способность растительной клетки «всасывать» воду и указывает на возможность произрастания растения на почвах различной водоудерживающей силы. В тоже время повышение осмотического давления клеточного сока при засухе является критерием обезвоживания растений и необходимости их полива.

Плазмолитический метод определения осмотического давления клеточного содержимого основан на том, что осмотическое давление растворов, обуславливающее перемещение воды через мембрану может быть создано различными веществами (осмолитиками). Поэтому для определения осмотического давления клеточного сока не требуется знание его качественного состава и концентрации отдельных веществ, а следует найти концентрацию какого-либо вещества в наружном раствор, при которой движения воды через плазмалемму не будет при отсутствии тургора и плазмолиза. Для этого срезы исследуемой ткани погружают в ряд растворов известной концентрации, а затем их рассматривают в микроскоп. Исходя из того, что плазмолиз способны вызывать только гипертонические растворы, находят самый слабый из них, в котором обнаруживается лишь начальный плазмолиз в отдельных клетках. Следующий за ним более разбавленный раствор не будет плазмолизировать клетки.

Следовательно, концентрация изотонического раствора для этих клеток будет равна (с известной долей погрешности) среднему арифметическому между концентрациями соседних растворов.

Для удобства работа проводится с тканями, клетки которых содержат в клеточном соке антоцианы: эпидермис чешуи синего лука, нижний эпидермис листа традесканции. В качестве плазмолитика используют растворы сахарозы или NaCl.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, растворы 1 М NaCl и 1 М сахарозы, листья традесканции или луковицы синего лука.

Используя 1 М раствор сахарозы или NaCl, приготовьте путем разбавления по 5 мл растворов согласно таблице.

Тщательно перемешав растворы, налейте их в стеклянные бюксы или тигельки, куда поместите на 30 мин по 2–3 среза исследуемой ткани.

При этом необходимо следить за тем, чтобы срезы не плавали на поверхности, а были погружены в жидкости (если срез всплывает, его следует «утопить» при помощи препаровальной иглы). Бюксы закрыть крышками или предметными стеклами для предотвращения испарения.

По истечении указанного времени инкубации срезы рассматрите в микроскоп в капле соответствующего раствора (не в воде!) в той же последовательности, в которой они погружались в растворы. Стеклянную палочку или пипетку, которыми наносился раствор на предметные стекла, после каждого раствора необходимо тщательно ополаскивать дистиллированной водой и вытирать салфеткой или фильтровальной бумагой.

Задание. Определите в исследуемой ткани наличие плазмолиза и его степень. Степень плазмолиза выражается понятиями: «сильный», «слабый», «начальный», «отсутствие плазмолиза». Результаты внести в таблицу.

Степень плазмолиза Изотоническая концентрация, М Осмотическое давление клеточного сока в атм и кПа Установите изотоническую концентрацию хлорида натрия, т. е. то содержание NaCl, которое создает осмотическое давление аналогичное клеточному соку в исследуемой ткани. Вычислите осмотическое давление по уравнению (1). Используя коэффициент 101,3 рассчитайте осмотическое давление в кПа.

1. Что такое осмотическое давление?

2. Как рассчитывается величина осмотического давления?

3. От чего зависит величина изотонического коэффициента?

4. Критерием какого процесса является повышение осмотического давления клеточного сока?

2. СВОЙСТВА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

Важнейшее свойство клеточных мембран – избирательная проницаемость. Наружная цитоплазматическая мембрана, отделяя клетку от окружающей среды, контролирует транспорт веществ между клеткой и свободным пространством. Внутриклеточные мембраны благодаря присущей им избирательной проницаемости обеспечивают функцию компартментализации, которая позволяет клетке и органоидам удерживать в небольших объемах необходимые ферменты и метаболиты, создавать гетерогенную физико-химическую микросреду, осуществлять на разных сторонах мембраны разнообразные, иногда противоположно направленные биохимические реакции.

Проницаемость клеточных мембран для различных веществ может быть критерием жизнеспособности клеток. Избирательная проницаемость мембраны сохраняется до тех пор, пока клетка остается живой.

ИЗУЧЕНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

ПЛАЗМАЛЕММЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Сравнить проницаемость плазматической мембраны для различных веществ можно на основе простых наблюдений, характеризующих продолжительность сохранения плазмолиза в растительных клетках, находящихся в гипертонических растворах исследуемых веществ. В случае достаточно низкой проницаемости плазмалеммы для растворенного вещества либо полного отсутствия способности его молекул свободно диффундировать в растительную клетку будет иметь место стойкий плазмолиз, при котором плазмолизированные клетки могут находиться в неизменном состоянии длительное время. Однако если же молекулы растворенного вещества проходят через мембрану, но медленнее, чем молекулы воды, то начавшийся плазмолиз носит временный характер и вскоре исчезает. В результате постепенного проникновения растворенного вещества в клетку будет наблюдаться поступление воды из наружного раствора по градиенту концентрации, что в конечном итоге вызовет переход клетки в деплазмолизированное состояние.

Цель работы. Сравнить проницаемость клеточных мембран для различных веществ на основе наблюдения стойкого и временного плазмолиза.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор сахарозы, 1 М раствор карбамида, 1 М раствор глицерина, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

На три предметных стела наносят по капле раствора: на одно – 1 М раствор сахарозы, на другое – 1 М раствор карбамида, на третье – 1 М раствор глицерина. В каждую каплю помещают по фрагменту окрашенного эпидермиса лука, накрывают покровными стеклами и рассматривают под микроскопом. Находят участки, в которых хорошо видны плазмолизированные клетки. Отмечают время начала плазмолиза – начала наблюдения. Оставляют препараты на 10–30 мин, затем вновь их рассматривают под микроскопом. В растворе сахарозы наблюдается стойкий плазмолиз, а в растворах карбамида и глицерина – временный. Причиной деплазмолиза в двух последних растворах является проницаемость плазмалеммы для молекул карбамида и глицерина.

Задание. Проведите исследование характеристик плазмолиза растительных клеток в растворах различных веществ. Результаты наблюдений занесите в таблицу, отмечая степень плазмолиза через каждые 10 мин после начала наблюдений. На основе анализа результатов экспериментов выявите различия в продолжительности сохранения плазмолизированого состояния, вызванном различными осмолитиками, и сделайте вывод об относительной проницаемости плазмалеммы для исследуемых веществ.

Растворенное вещество Примечание: +++ – сильный плазмолиз, ++ – средний плазмолиз, + – слабый плазмолиз.

1. Что такое избирательная проницаемость клеточных мембран?

2. Какие вещества легче проникают через клеточные мембраны?

3. Как свойство избирательной проницаемости может быть использовано для определения жизнеспособности растительной клетки?

ИЗУЧЕНИЕ ДИФФУЗИИ НЕЙТРАЛЬНОГО

КРАСНОГО ЧЕРЕЗ ПЛАЗМАЛЕММУ

РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Плазматическая мембрана изолирует внутриклеточное содержимое от внешней среды. Обмен веществ между внутриклеточным содержимым и окружающей клетку средой происходит путем их транспорта через мембрану. Липидный бислой является барьером на пути движения веществ. Большинство экзогенных физиологически значимых веществ поступает внутрь клетки в результате функционирования на плазмалемме систем пассивного и активного транспорта. Однако возможна и простая пассивная диффузия через липидный бислой, который представляет собой гидрофобную фазу.

Основные закономерности диффузии веществ через липидный бислой были установлены в конце XIX – начале ХХ веков, т. е. в тот период времени, когда биомембраны оставались лишь гипотетическими структурами клетки. Именно тот факт, что вещества гидрофобные лучше проникают внутрь клетки, чем гидрофильные, явился основой для предположения исследователей о наличия липидов в мембране.

Процесс диффузии веществ через мембрану подчиняется первому закону Фика, математическое выражение которого применительно к мембране описывается формулой:

где Pi – коэффициент проницаемости мембраны для вещества i; CiII и CiI – концентрации вещества i по обе стороны мембраны.

Слабые кислоты и основания характеризуются тем, что степень ионизации их молекул в разбавленных растворах зависит от рН (см. Лабораторную работу 1, формула (2)). Это значит, что степень диссоциации молекул слабого электролита в области значений рН численно равных рКа равна 50 %. При уменьшении рН на единицу более 90 % молекул слабого основания будут ионизированы, а при увеличении рН на ту же величину – менее 10 %.

Еще в первой половине ХХ века было продемонстрировано, что электрически нейтральные неионизированные молекулы слабых электролитов достаточно хорошо проникают через плазматическую мембрану внутрь клеток растений, в то время как для соответствующих ионов мембраны оказывается практически непроницаемой. Например, коэффициенты проницаемости плазмалеммы для аммиака и иона аммония различаются более чем 100-кратно. Таким образом, сдвиг рН значений лишь на 1–2 ед. приводит к более, чем 10-кратному изменению концентрации транспортируемых через мембрану форм молекул вещества.

Среди слабых электролитов особый интерес представляют кислотно-основные индикаторы, поскольку для молекул этих веществ характерно изменение их оптических свойств при ионизации. Кроме того, благодаря характерной окраске растворов указанных соединений довольно просто определить их содержание колориметрически. Нейтральный красный (НК) – слабое основание. Ионизированные молекулы НК (при рН 6,8 и ниже) окрашивают растворы в интенсивно малиновый цвет. При повышении рН от 6,8 до 8,0 происходит постепенное изменение окраски до бледно-желтой в связи с уменьшением степени диссоциации молекул НК. В щелочных растворах преобладают хорошо транспортируемые через липидный бислой плазматической мембраны электрически незараженные молекулы НК, а в кислых – слабопроницаемые для мембраны ионы НК.

Поступающие через плазмалемму внутрь клетки молекулы НК могут диффундировать и через другие клеточные мембраны, однако проникнув внутрь вакуоли (кислотного компартмента растительной клетки) молекулы НК ионизируются, окрашивая содержимое вакуоли в малиновый цвет. При этом ионы НК оказываются “замкнутыми” в пространстве вакуоли, т. е. имеют тенденцию к аккумуляции.

Цель работы. Изучить закономерности диффузии нейтрального красного через плазмалемму растительной клетки Материалы и оборудование: ножницы, водно-спиртовой раствор нейтрального красного, децинормальные растворы гидрата окиси натрия и соляной кислоты, бумага индикаторная универсальная, чашки Петри, микроскоп, секундомер, культура водоросли Nitella flexilis.

К 100 мл воды добавьте 5 капель раствора нейтрального красного.

Этот раствор разлейте поровну в 4 чашки Петри. Контролируя кислотность содержимого чашек Петри универсальной индикаторной бумагой при помощи растворов НСl и NaOH доведите показатель кислотности в первой чашке Петри до рН 9,0, во второй – до рН 8,0, в третьей – до рН 7,0, в четвертой – до рН 5,0. Сделайте маркировку чашек Петри.

Осторожно отделите ножницами от таллома Nitella flexilis 8–12 клеток междоузлий водоросли. Рассматривая междоузлия под микроскопом убедитесь в нативности отпрепарированных клеток: у живых неповрежденных клеток сохраняются непрерывные ряды хлоропластов, расположенные параллельно светлой линии, кроме того наблюдается интенсивное движение цитоплазмы – циклоз.

Поместите в чашки Петри по 2–3 клетки междоузлий водоросли.

Включите секундомер.

Задание. Определите время, необходимое для окрашивания клеток водоросли в каждом варианте опыта. Для этого по истечении 5 мин сравните клетки междоузлий водоросли каждого из вариантов по интенсивности окраски. Повторите операцию через 10, 20, 30 мин. Результаты наблюдений занесите в таблицу. Сделайте заключение относительно диффундируемых через мембрану форм слабого основания.

Значение рН среды Примечание: +++ – интенсивная окраска, ++ – средняя окраска, + – слабая окраска, – окраска отсутствует.

1. От каких факторов зависит степень диссоциации слабых кислот и оснований?

2. Почему биомембраны более проницаемы по отношению к недиссоциированным формам слабых электролитов?

3. При каких условиях отмечается аккумуляция слабого электролита в клетке?

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТОНОПЛАСТА

И ПЛАЗМАЛЕММЫ ДЛЯ БЕТАЦИАНИНА ПОД

ДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ

Вводные замечания. Избирательная проницаемость клеточных мембран изменяется под действием различных факторов. Определить влияние каких-либо веществ или условий на мембранную проницаемость можно, измеряя выход различных метаболитов из клетки.

Бетацианин – пигмент столовой свеклы – относительно большая, хорошо растворимая в воде молекула, находящаяся в клеточном соке.

Чтобы попасть во внешнюю среду, молекула бетацианина должна пройти через тонопласт, основной цитоплазматический матрикс и плазмалемму. Тонопласты живых клеток непроницаемы для молекул этого пигмента. Диффузия бетацианина из вакуоли в среду может проходить достаточно быстро при действии различных факторов или агентов, вызывающих увеличение проницаемости мембран. Измеряя оптическую плотность инкубационной среды через определенный промежуток времени, можно оценить степень воздействия того или иного фактора на проницаемость мембран.

Цель работы. Определить влияние температуры, а также кислот и спиртов на проницаемость клеточных мембран для бетацианина по его выходу в наружный раствор.

Материалы и оборудование: дистиллированная вода, 30 %-ный раствор уксусной кислоты, 50 %-ный раствор этанола, фильтровальная бумага, пробирки, штатив для пробирок, водяная баня, спектрофотометр или фотоколориметр, корнеплод столовой свеклы.

Корнеплод свеклы после удаления покровных тканей разрезают на кубики (сторона кубика 5 мм) и тщательно промывают водой в течение 5–10 мин, чтобы удалить пигмент, вышедший из поврежденных клеток.

Затем их помещают по одному в каждую из 4 пробирок, в которые наливают по 5 мл различных сред в соответствии со схемой опыта: дистиллированную воду (2 пробирки), растворы уксусной кислоты и этанола.

Первую пробирку с дистиллированной водой оставляют в штативе, а содержимое второй нагревают на водяной бане в течение 2–3 мин. Через 30 мин все пробирки интенсивно встряхивают, кубики свеклы извлекают, а интенсивность окраски растворов определяют на фотоколориметре с зеленым светофильтром или спектрофотометре =535 нм.

Оптическая плотность раствора, Интенсивность окрашивания, Вариант опыта Задание. Проведите исследования. Результаты измерений оптической плотности занесите в таблицу. Выявите различия в проницаемости тонопласта и плазмалеммы для бетацианина клеток корнеплода свеклы, подвергнутых воздействию различных факторов, и сделайте вывод о причинах этих различий.

1. Какое значение имеет избирательная проницаемость клеточных мембран?

2. От чего зависит избирательная проницаемость мембран растительной клетки?

3. СВОЙСТВА ЦИТОПЛАЗМЫ

Основной объем цитоплазмы, заполняющий пространство между клеточными органеллами называется цитозолем. На долю воды в цитозоле приходится приблизительно 90 %. В растворенном виде в цитозоле содержатся практически все основные биомолекулы. Истинные растворы образуют ионы и малые молекулы (соли щелочных и щелочноземельных металлов, сахара, аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и растворенные газы). Крупные же молекулы, такие как белки, образуют коллоидные растворы. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) и гелем (вязким). От вязкости цитозоля зависит интенсивность протекания большинства внутриклеточных процессов.

Важнейшим свойством цитоплазмы является ее активное движение.

Это характерная особенность живой растительной клетки, показатель активности процессов ее жизнедеятельности. Движение цитоплазмы обеспечивает внутриклеточный и межклеточный транспорт веществ, перемещение органелл внутри клетки, играет важную роль в реакциях раздражимости. В его осуществлении принимают участие элементы цитоскелета – микрофиламенты и микротрубочки. Источником энергии для этого движения служит АТФ. Движение цитоплазмы (циклоз) – один из наиболее чувствительных показателей жизнеспособности клетки. Многие даже незначительные воздействия останавливают или, наоборот, ускоряют его.

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ КАЛИЯ И КАЛЬЦИЯ НА

ВЯЗКОСТЬ ЦИТОПЛАЗМЫ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Вводные замечания. Отдельные катионы способны существенно изменять вязкость цитоплазмы. Установлено, что ионы калия способствуют повышению ее оводненности и снижению вязкости. Меньшая вязкость цитоплазмы благоприятствует протеканию синтетических процессов, внутриклеточному транспорту веществ, но понижает устойчивость растительных клеток к неблагоприятным внешним условиям. В отличие от калия кальций увеличивает вязкость цитоплазмы. При большей вязкости цитозоля медленнее идут физиологические процессы, что повышает устойчивость клетки к неблагоприятным условиям внешней среды.

Об изменениях вязкости цитоплазмы под действием ионов калия и кальция можно судить по форме плазмолиза в клетках, находящихся в гипертонических растворах их солей. При длительной инкубации растительных клеток в растворах, содержащих ионы калия, наблюдается колпачковый плазмолиз. При этом ионы калия проходят через плазмалемму в цитоплазму, но достаточно медленно проникают через тонопласт в вакуоль. В результате набухания цитоплазмы протопласт принимает выпуклую форму, отделяясь только от поперечных участков клеточных стенок, со стороны которых и наблюдается образование так называемых «колпачков». Вызываемое кальцием увеличение вязкости цитоплазмы легко обнаружить, наблюдая за изменением формы плазмолизирующегося протопласта: если плазмолитик содержит кальций, то вогнутый плазмолиз часто переходит в судорожную форму.

Цель работы. Изучить характер влияния ионов калия и кальция на вязкость цитоплазмы растительной клетки на основе наблюдений колпачкового и судорожного плазмолиза.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, пинцет, 1 М раствор KNO3, 1 М раствор Ca(NO3)2, фильтровальная бумага, луковица лука репчатого.

На одно предметное стекло наносят каплю 1 М раствора нитрата калия, на другое – 1 М раствора нитрата кальция. В обе капли помещают по кусочку эпидермиса лука, снятого с вогнутой поверхности одной и той же чешуи луковицы, накрывают покровными стеклами. Через 30 минут препараты рассматривают под микроскопом в тех растворах, в которых они находились. Наблюдается явление плазмолиза. В некоторых клетках эпидермиса, выдержанного в растворе КNO3, со стороны поперечных стенок клетки цитоплазма образует «колпачки», появление которых обусловлено повышением оводненности цитозоля под действием ионов калия. Ионы кальция, наоборот, повышают вязкость цитоплазмы, увеличивают силы сцепления ее с клеточной стенкой, и протопласт принимает неправильные очертания, характерные для судорожного плазмолиза.

Задание. Зарисуйте наблюдаемые формы плазмолиза. Выявите зависимость формы плазмолиза от вязкости цитоплазмы в присутствии ионов калия и кальция.

1. Каким образом ионы калия и кальция влияют на вязкость цитоплазмы?

2. В каких условиях наблюдается судорожный плазмолиз?

3. Чем обусловлено образование «колпачков» в результате инкубации клеток в растворе KNO3?

НАБЛЮДЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЦИТОПЛАЗМЫ

РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК И ИЗМЕРЕНИЕ ЕГО

СКОРОСТИ

Вводные замечания. Наиболее удобны для наблюдения за перемещением цитоплазмы крупные растительные клетки с большими вакуолями (клетки междоузлий харовых водорослей, морские сифоновые зеленые водоросли, клетки листьев водных растений элодеи, валлиснерии и др.). Выделяют несколько типов движения цитоплазмы. Наиболее широко распространено колебательное движение. Его считают наименее упорядоченным, так как при этом одни частицы находятся в покое, другие скользят к периферии, третьи – к центру клетки. Движение имеет неустойчивый, случайный характер. Циркуляционное движение характерно для клеток, которые имеют цитоплазматические тяжи, пересекающие центральную вакуоль. Направление и скорость движения частиц, находящихся внутри или на поверхности слоя цитоплазмы, а также в цитоплазматических слоях, непостоянны. При ротационном движении цитоплазма перемещается только на периферии клетки и движется подобно приводному ремню. Движение этого типа, в отличие от циркуляционного, имеет более или менее постоянный и упорядоченный характер, поэтому удобно для количественного изучения. Помимо перечисленных выделяют еще движения цитоплазмы, например фонтанирующее и челночное. Типы движения различаются между собой условно и в одной и той же клетке могут переходить от одного в другой.

Движение цитоплазмы можно охарактеризовать, определив его скорость, которая зависит не только от движущей силы, но и вязкости цитоплазмы. Скорость движения цитоплазмы можно измерить под микроскопом, наблюдая за передвижением ее частиц.

Цель работы. Ознакомиться с ротационным типом движения цитоплазмы и провести измерения его скорости у разных растительных объектов.

Материалы и оборудование: микроскоп, предметные и покровные стекла, лезвие безопасной бритвы, препаровальная игла, раствор искусственной прудовой воды, лист валлиснерии, интернодальные клетки нителлы.

От листовой пластинки валлиснерии острой бритвой отрезают небольшой кусочек, стараясь как можно меньше травмировать лист, помещают его в каплю воды на предметное стекло и рассматривают под микроскопом сначала при малом, затем при большом увеличении. Делать срезы с листа не рекомендуется, так как клетки при этом сильно травмируются, и движение в них останавливается. Движение цитоплазмы легко наблюдать по перемещению всех хлоропластов в одном направлении вдоль клеточной стенки. Такое движение называется ротационным.

Для наблюдения циклоза в клетках нителлы предварительно отпрепарированные клетки помещают в специальные камеры, которые заполняют раствором искусственной прудовой воды. У всех харовых водорослей также наблюдается ротационный тип движения цитоплазмы, однако хлоропласты в этих клетках неподвижны. Непосредственно к целлюлозной оболочке у них примыкает плотный и неподвижный слой цитоплазмы, называемый эктоплазмой. В этом слое фиксированы хроматофоры, которые образуют один слой плотно примыкающих друг к другу правильных продольных рядов. Между вакуолью и слоем эктоплазмы находится внутренний жидкий подвижный слой цитоплазмы, так называемая эндоплазма. Его интенсивное передвижение можно наблюдать по перемещению более мелких, чем хлоропласты органелл – мелких бесцветных включений, взвешенных в цитоплазме.

Для определения скорости движения цитоплазмы используют секундомер и окулярную линейку, помещенную в окуляр микроскопа. С помощью секундомера отсчитывают время, в течение которого хлоропласт или другая движущаяся частица проходит расстояние между двумя выбранными делениями окулярной линейки. Такие измерения в одной и той же клетке проводят 3–5 раз. Для расчета скорости движения цитоплазмы проводят измерение цены деления окулярной линейки. Для этого на столик микроскопа кладут объектмикрометр, который рассматривают в окулярмикрометр. Фиксируют выбранный объектив на делениях объектмикрометра и подсчитывают число делений объектмикрометра. Цену делений окулярмикрометра рассчитывают по формуле где N – цена делений окулярмикрометра; 10 мкм – цена деления объектмикрометра; b – число делений окулярмикрометра, умещающихся в (а) делениях объектмикрометра.

Скорость движения частиц – отношение величины расстояния в микрометрах к числу секунд, за которое движущаяся частица проходит это расстояние (мкм/с).

Задание. Проведите определения величин скорости движения цитоплазмы в клетках водных растений. Результаты измерений занесите в таблицу. Сделайте схематические рисунки клеток рассмотренных объектов и стрелками укажите направление движения цитоплазмы, сравните характер и скорость циклоза.

Объект Тип движущихся Расстояние Время пробега частицей, с Скорость циклоза, 1. Что представляет собой цитозоль?

2. Каким образом форма плазмолиза зависит от вязкости цитоплазмы растительных клеток?

3. В чем заключается биологическое значение движения цитоплазмы?

4. Назовите основные типы движения цитоплазмы?

5. От чего зависит скорость движения цитоплазмы?

От авторов………………………………………………………….

1. РАСТИТЕЛЬНАЯ КЛЕТКА КАК ОСМОТИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА………………………………………………………….

Лабораторная работа Модели растительных клеток……………………………………... Лабораторная работа Явление плазмолиза и деплазмолиза растительной клетки..……. Лабораторная работа Определение осмотического давления клеточного сока плазмолитическим методом………………………………….……………. 2. СВОЙСТВА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН………..…………..

Лабораторная работа Изучение избирательной проницаемости плазмалеммы растительной клетки…………………….……………………………….. Лабораторная работа Изучение диффузии нейтрального красного через плазмалемму Лабораторная работа Изменение проницаемости тонопласта и плазмалеммы для бетацианина под действием физических и химических факторов... 3. СВОЙСТВА ЦИТОПЛАЗМЫ………………………………... Лабораторная работа Влияние ионов калия и кальция на вязкость цитоплазмы растительной клетки………………………………..……………………. Лабораторная работа Наблюдение движения цитоплазмы растительных клеток и измерение его скорости……………………………………………….

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

практикума «Физиология растений»

для студентов биологического факультета Ответственный за выпуск А. П. Кудряшов Подписано в печать 31. 08. 2009. Формат 6084/16. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,63. Уч.-изд. л. 1,62. Тираж 50 экз. Зак.

Белорусский государственный университет 220030, Минск, проспект Независимости, 4.

Отпечатано с оригинала-макета заказчика на копировально-множительной технике Белорусского государственного университета.

Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯИЯ РОССИИ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России) Курс лечебной физкультуры и спортивной медицины УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА ЛЕЧЕБНАЯ ФИЗКУЛЬТУРА И ВРАЧЕБНЫЙ КОНТРОЛЬ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ специальности: 060103 (040200) – Педиатрия (ПЕД), 5 курс ТЕМА ЗАНЯТИЯ: ЛФК В СИСТЕМЕ МЕДИЦИНСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ. ОСНОВЫ...»

« УНИВЕРСИТЕТ Кафедра безопасности жизнедеятельности, анатомии и физиологии ФИЗИОЛОГИЯ (ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ) Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальности 020201 Биология Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2008 Печатается по решению методического совета Горно-Алтайского государственного...»

«Рецензенты: доктор биологических наук, профессор Панов Валерий Петрович - МСХА; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Груздев Николай Васильевич - зав. кафедрой частной зоотехнии РУДН. Блохин Г. И. и др. К64 Кинология. Учебное пособие для вузов / Г. И. Блохин, М. Ю. Гладких, А. А. Иванов, Б. Р. Овсищер, М. В. Сидорова - М.: ООО Издательство Скрипторий 2000, 2001. - 432 с. с ил. Учебное пособие включает сведения по анатомии, физиологии, кормлению, содержанию, разведению и генетике собак....»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) УНИВЕРСИТЕТ Биолого-почвенный факультет Кафедра физиологии человека и животных ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДАМ В БИОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Яковлева О.В., Ситдикова Г.Ф., Яковлев А.В. Казань-2010 1 Печатается по решению учебно-методического совета биолого-почвенного факультета КФ(П)У протокол № от Заседание кафедры физиологии человека и животных № от Рецензент: Яковлева О.В., Ситдикова Г.Ф., Яковлев А.В. Практикум по физико-химическим методам...»

«Бюллетень новых поступлений (ноябрь 2008 г.) 1. ОБЩЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 1.1. Философия. Психология. Логика 1. Ю9я7 Богомолова, Н. Н. Социальная психология массовой коммуникации: учеб. поБ 74 собие для вузов / Н. Н. Богомолова. - М. : Аспект Пресс, 2008. - 191 с. а - 1; ч/зо - 1; 2. Юя7 Введение в философию: учеб. пособие для вузов / И. Т. Фролов [и др.]. - 4-е В 24 изд., перераб. и доп. - М. : Культурная революция, 2007. - 623 с. уч/б - 1; 3. Ю Голдобина, Л. А. Общество как особый род бытия:...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра ботаники ОСНОВЫ БОТАНИКИ Методические указания к лабораторным занятиям для студентов 1 курса дневного отделения специальностей 1-31 01 02 Биохимия; 1-31 01 03 Микробиология МИНСК 2013 УДК 581.4(077) ББК 28.56р.я73 О-75 С о с т а в и т е л и: Т. А. Сауткина, В. Д. Поликсенова, А. К. Храмцов, В. Н. Тихомиров, М. А. Джус Рекомендовано советом биологического факультета Белорусского государственного университета 27 февраля 2013...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра физиологии человека и животных РАЗВИТИЕ ВЫСШИХ ПОЗВОНОЧНЫХ: ПТИЦЫ Методические указания по курсу Биология индивидуального развития для студентов биологического факультета специальности 1-31 01 01 Биология МИНСК 2007 УДК 611.06 ББК 28.706 Р 17 Авторы-составители: Г. Т. Маслова, А. В. Сидоров Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 7 декабря 2007 г., протокол № 5 Рецензент кандидат биологических наук, доцент C....»

«Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации Сердечно-сосудистая система: анатомо-физиологические особенности, методы исследования и семиотика основных поражений Учебно-методическое пособие Иркутск ИГМУ 2012 1 УДК ББК 57.319я73 С 32 Рекомендовано ФМС педиатрического факультета ГБОУ ВПО ИГМУ Минздрава России в качестве...» ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО ВОЛГГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Утверждаю _ зав. кафедрой патологической физиологии, д.м.н., профессор Л.Н. Рогова МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА для студентов по проведению практических занятий дисциплины Патофизиология, патофизиология головы и шеи по специальности...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра безопасности жизнедеятельности, анатомии и физиологии ЧЕЛОВЕК Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальности 020201 Биология Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2009 Печатается по решению методического совета Горно-Алтайского государственного университета УДК 611; 591.4 ББК Авторский...»

«Донецкий национальный медицинский университет им. М.Горького Кафедра медицинской химии МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по медицинской химии для студентов первого курса международного медицинского факультета. Донецк - 2011 1 Методические указания подготовили: зав. кафедрой, доцент Рождественский Е.Ю. доцент Сидун М.С., ст. преподаватель Павленко В.И., ассистенты кафедры Игнатьева В.В., Бойцова В.Е., Бусурина З.А., Стрелецкая Л.П., Сидоренко Л.М. Методические указания утверждены на...»

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра коммунальной гигиены и гигиены детей и подростков ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К Д Е Т С К О Й ОБУВИ (учебно-методическое пособие для студентов педиатрического факультета) Иркутск, 2010 Гигиенические требования к детской обуви: Учебно-методическое пособие/ Погорелова И.Г., Попов И.П., Макарова Л.И.- Иркутск: Изд-во ИГМУ, 2010 г. Учебно-методическое пособие подготовили под редакцией зав. кафедрой профессора Игнатьевой Л.П. сотрудники кафедры...»

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра физиологии человека и животных РАЗВИТИЕ АМФИБИЙ Методические указания по курсу Биология индивидуального развития для студентов биологического факультета специальности 1-31 01 01 Биология МИНСК 2007 УДК 611.06 ББК 28.706 Р 17 Авторы-составители: Г. Т. Маслова, А. В. Сидоров Рекомендовано Ученым советом биологического факультета 10 апреля 2007 г., протокол № 7 Рецензент кандидат биологических наук, доцент C. В. Глушен...»

«Обеспечение образовательного процесса иными библиотечно-информационными ресурсами и средствами обеспечения образовательного процесса, необходимыми для реализации заявленных к лицензированию образовательных программ Специальность Автор, наименование, место издания, издательство, год Количество Число издания экземпляров изучающих дисциплину Лечебное дело 060101 Акушерство.учеб. для студентов мед. вузов Савельева, Акушерство 537 432 Шалина, Сичинава, Панина, Курцер. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2009...»

«Пятигорский филиал Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Волгоградский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ И МИКРОБИОЛОГИИ Е.Г. ДОРКИНА ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ. ЧАСТЬ 2 ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Методические указания для самостоятельной (внеаудиторной) работы студентов 1 курса (очная форма обучения) по дисциплине С2.Б.11 – МИКРОБИОЛОГИЯ Пятигорск 2013 1 УДК...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ А.Т. Епринцев, В.Н. Попов, Д.Н. Федорин ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ Учебно-методическое пособие для вузов Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2008 Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 14 февраля 2008 г., протокол № Рецензент доктор биологических...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА, ЗАОЧНОГО ОТДЕЛЕНИЯ КУРСК – 2005 УДК: 54:57 (072) ББК: 24:28 Я7 Печатается по решению редакционноиздательского совета КГМУ Пособие для самоподготовки по биологической химии...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО ВОЛГГМУ МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Утверждаю зав. кафедрой патологической физиологии, д.м.н., профессор Л. Н. Рогова МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА для студентов по проведению практических занятий дисциплины Патофизиология, патофизиология головы и шеи по специальности...»

«1 2 Н. И. Федюкович АНАТОМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов медицинских училищ, обучающихся по специальности 0406 Сестринское дело Издание второе Ростов-на-Дону Феникс 2003 ББК 28.8я723 Ф32 3 Федюкович Н. И. Ф 32 Анатомия и физиология человека: Учебное пособие. Изд. 2-е. - Ростов н/Д: изд-во: Феникс, 2003. - 416 с. В учебном пособии освещены вопросы нормальной, анатомии и физиологии человека с учетом...»

Введение 2

1.Основные факты о строении клеточной мембраны 3

2. Общие представления о проницаемости 4

3. Перенос молекул через мембрану 4

3.1. Диффузия 5

3.2 Уравнение Фика 6

3.3 Пассивный транспорт 7

3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой 8

4. Закон Дарси 8

5. Активный транспорт 9

6. Строение и функции ионных каналов 11

Заключение 15

Список литературы 17

ВВЕДЕНИЕ

Мембранный транспорт – транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов – простой диффузии, облегченной диффузии и активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, т.е. способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие. Легче всего проходят через липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислой такие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10-2, для глицерина – 10-5, для глюкозы – 10-7, а для одновалентных ионов – меньше 10-10.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря белкам-каналам или белкам-переносчикам. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток – водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов. Активный и пассивный транспорт.

Мембраны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембран лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развитие тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной системы.

1. Основные факты о строении клеточной мембраны.

К клеточным мембранам относятся плазмолемма, кариолемма, мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе с белками). Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40%) и белки (60%); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10%).

Плазматическая мембранна окружает каждую клетку, определяет ее размер и обеспечивает сохранение различий между содержимым клетки и внешней средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ, то есть, поступление в клетку питательных веществ и вывод наружу вредных продуктов жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за восприятие внешних сигналов, позволяет клетке реагировать на внешние изменения. Все биологические мембраны представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

Основу любой молекулярной мембраны составляют молекулы липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана, в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогощена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.

Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

Первые опыты, подтверждающие это, были проведены в 1925 году.

Формирование бислоя является особым свойством молекул липидов и реализуется даже вне клетки. Важнейшие свойства бислоя: способность к самосборке – текучесть – ассиметричность.

2. Общие представления о проницаемости.

Xарактеристика мембран, стенок сосудов и эпителиальных клеток, отражающая способность проводить химические вещества; различают активную (активный транспорт веществ) и пассивную П. (фагоцитоз И пиноцитоз ); пассивная и (в ряде случаев) активная П. (крупных молекул) обеспечиваются мембранными порами, П. для низкомолекулярных веществ (например, ионов) обеспечивается специфическими мембранными структурами с участием молекул-переносчиков.

3. Перенос молекул через мембрану.

Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

В клетках существуют также механизмы переноса через мембрану макромолекул (белков) и даже крупных частиц. Процесс поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В общих чертах механизм его протекания таков: локальные участки плазматической мембраны впячиваются и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная частица обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

3.1 Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

3.2 Уравнение Фика

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Питание, дыхание животных и растений;

Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

3.3 Пассивный транспорт

Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

При опытах с искусственными липидными бислоями было установлено, что чем меньше молекула и чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она дифундирует через мембрану. Итак, чем меньше молекула и чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее она будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро диффундируют. Незаряженные полярные молекулы при небольших размерах также растворимы и диффундируют.

Важно, что вода очень быстро проникает через липидный бислой несмотря на то, что она относительно нерастворима в жирах. Это происходит из-за того, что ее молекула мала и электрически нейтральна.

Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

Итак, мембраны могут пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой диффузии.

3.3.1 Отличия облегченной диффузии от простой:

1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;

2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;

3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и. т. д.;

4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

4.Закон Дарси

Закон Дарси (Анри Дарси, 1856) - закон фильтрации жидкостей и газов в пористой среде. Получен экспериментально. Выражает зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора:

где: - скорость фильтрации, K - коэффициент фильтрации, - градиент напора. Закон Дарси связан с несколькими системами измерений. Среда с проницаемостью 1 Дарси (Д) позволяет протекать 1 см³/с жидкости или газа с вязкостью 1 сп (мПа·с) под градиентом давления 1 атм/см, действующего на площадь 1 см². 1 миллидарси (мД) равен 0,001 Дарси.

В системе измерения СИ, 1 Дарси эквивалентен 9,869233×10−13м² или 0,9869233 мкм². Такое преобразование обычно аппроксимируется как 1 мкм². Следует заметить, что это число, обратное к 1,013250 - коэффициент преобразования из атмосфер в бары.

Транспорт сквозь липидный бислой (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков

5. Активный транспорт

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Симпорт, антипорт и унипорт

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

1) Унипорт - транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

2) Симпорт - транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

3) Антипорт - перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия.

Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередью создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой.

Антипорт осуществляет, например, натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки - ионы натрия.

Работа натрий-калиевой АТФазы как пример антипорта и активного транспорта

Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na +. Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.

Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na + и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионы Na + отщепляются, а замещается на два иона K +. Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K + оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K + отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.

Более кратко действия АТФазы можно описать так:

1) Она изнутри клетки «забирает» три иона Na +, затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат

2) «Выбрасывает» ионы Na + и присоединяет два иона K + из внешней среды.

3) Отсоединяет фосфат, два иона K + выбрасывает внутрь клетки

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na +, а внутри клетки - высокая концентрация K +. Работа Na +, K + - АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней - отрицательный.

6. Строение и функции ионных каналов.

Модель возбудимой мембраны предполагает регулируемый перенос ионов калия и натрия через мембрану. Однако, непосредственный переход иона через липидный бислой весьма затруднен, поэтому плотность потока ионов была бы очень мала, если бы ион проходил непосредственно через липидную фазу мембраны. Это и ряд других соображений дали основание считать, что в мембране должны быть некоторые специальные структуры – проводящие ионы.

Такие структуры были найдены и названы ионными каналами. Подобные каналы выделены из различных объектов: плазматической мембраны клеток, постсинаптической мембраны мышечных клеток и других объектов. Известны также ионные каналы, образованные антибиотиками.

Основные свойства ионных каналов:

1) селективность;

2) независимость работы отдельных каналов;

3) дискретный характер проводимости;

4) зависимость параметров каналов от мембранного потенциала.

Рассмотрим их по порядку.

1. Селективностью называют способность ионных каналов избирательно пропускать ионы какого-либо одного типа.

Еще в первых опытах на аксоне кальмара было обнаружено, что ионы натрия и калия по-разному влияют на мембранный потенциал. Ионы калия меняют потенциал покоя, а ионы натрия - потенциал действия.

Измерения показали, что ионные каналы обладают абсолютной селективностью по отношению к катионам (катион-селективные каналы), либо к анионам (анион-селективные каналы). В то же время через катион-селективные каналы способны проходить различные катионы различных химических элементов, но проводимость мембраны для неосновного иона, а значит и ток через нее, будет существенно ниже, например, для натриевого канала калиевый ток через него будет в 20 раз меньше. Способность ионного канала пропускать различные ионы называется относительной селективностью и характеризуется рядом селективности - соотношением проводимостей канала для разных ионов, взятых при одной концентрации.

2. Независимость работы отдельных каналов. Прохождение тока через отдельный ионный канал не зависит от того, идет ли ток через другие каналы. Например, калиевые каналы могут быть включены или выключены, но ток через натриевые каналы не меняется. Влияние каналов друг на друга происходит опосредованно: изменение проницаемостей каких-либо каналов (например натриевых) меняет мембранный потенциал, а уже он влияет на проводимости прочих ионных каналов.

3. Дискретный характер проводимости ионных каналов. Ионные каналы представляют собой субъединичный комплекс белков, пронизывающий мембрану. В центре его существует трубка, сквозь которую могут проходить ионы.

Количество ионных каналов на 1 мкм поверхности мембраны определяли с помощью радиоактивно-меченного блокатора натриевых каналов - тетродотоксина. Известно, что одна молекула ТТХ связывается только с одним каналом. Тогда измерение радиоактивности образца с известной площадью позволило показать, что на 1 мкм аксона кальмара находится около 500 натриевых каналов. Впервые это было обнаружено в 1962 г. в исследованиях проводимости бислойных липидных мембран (БЛМ) при добавлении в раствор, омывающий мембрану, микроколичеств некоторого вещества, индуцировавшего возбуждение. На БЛМ подавали постоянное напряжение и регистрировали ток. Запись тока во времени имела вид скачков между двумя проводящими состояниями.

Результаты экспериментов выполненных на различных ионных каналах показали, что проводимость ионного канала дискретна и он может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. Выбросы тока обусловлены одновременным открытием 2-х или 3-х каналов. Переходы между состояниями ионного канала происходят в случайные моменты времени и подчиняются статистическим закономерностям. Нельзя сказать, что данный ионный канал откроется именно в этот момент времени. Можно лишь сделать утверждение о вероятности открывания канала в определенном интервале времени.

Ионные каналы описывают характерными временами жизни открытого и закрытого состояний.

4. Зависимость параметров канала от мембранного потенциала. Ионные каналы нервных волокон чувствительны к мембранному потенциалу, например натриевый и калиевый каналы аксона кальмара. Это проявляется в том, что после начала деполяризации мембраны соответствующие токи начинают изменяться с той или иной кинетикой. На языке «ионных каналов» этот процесс происходит следующим образом. Ион-селективный канал имеет так называемый

«сенсор» -некоторый элемент своей конструкции, чувствительный к действию электрического поля (см. рисунок). При изменении мембранного потенциала меняется величина действующей на него силы, в результате эта часть ионного канала перемещается и меняет вероятность открывания или закрывания «ворот» – своеобразных заслонок, действующих по закону «все или ничего».

Структура ионного канала

Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части.

«Ворота» ионного канала управляются мембранным потенциалом и могут находиться как в закрытом состоянии (штриховая линия), так и в открытом состоянии (сплошная линия). Нормальное положение ворот натриевого канала – закрытое. Под действием электрического поля увеличивается вероятность открытого состояния, ворота открываются и поток гидратированных ионов получает возможность проходить сквозь селективный фильтр.

Если ион «подходит» по диаметру, то он сбрасывает гидратную оболочку и проскакивает на другую сторону ионного канала. Если же ион слишком велик по диаметру, как например, тетраэтиламмоний, он не в состоянии пролезть сквозь фильтр и не может пересечь мембрану. Если же, напротив, ион слишком мал, то у него возникают сложности в селективном фильтре, на сей раз связанные с трудностью сбросить его гидратную оболочку. У «подходящего» иона сброшенная вода замещается на связи с атомами кислорода, расположенными в фильтре, у «неподходящего» иона стерическое соответствие хуже. Поэтому ему труднее пройти через фильтр и проводимость канала для него ниже.

Блокаторы ионных каналов либо не могут пройти сквозь него, застревая в фильтре, либо, если это большие молекулы как ТТХ, они стерически соответствуют какому-либо входу в канал. Так как блокаторы несут положительный заряд, их заряженная часть втягивается в канал к селективному фильтру как обычный катион, а макромолекула закупоривает его.

Таким образом, изменения электрических свойств возбудимых биомембран осуществляется с помощью ионных каналов. Это белковые макромолекулы, пронизывающие липидный бислой, которые могут находиться в нескольких дискретных состояниях. Свойства каналов, селективных для ионов калия, натрия и кальция могут по-разному зависеть от мембранного потенциала, что и определяет динамику потенциала действия в мембране, а также отличия таких потенциалов в мембранах разных клеток.

Заключение

Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффузии веществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых молекул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроницаемости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит главным образом от размера молекул и их относительной растворимости в жирах.

Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные незаряженные молекулы - СО2, NH3, Н2О, этанол, мочевина - также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана непроницаема.

Транспорт таких молекул возможен благодаря наличию в мембранах либо белков, формирующих в липидном слое каналы (поры), заполненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диффузией, либо специфических белков-переносчиков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их перенос через мембрану (облегчённая диффузия).

Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концентрации в область большей. Этот процесс, называемый активным транспортом, осуществляется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диализа, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Оказалось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное пространство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

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).

Уравнение Фика

Знак «–» показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения плотности, D –коэффициент диффузии. Формула показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.).

Ион-селективный канал состоит из следующих частей погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислорода, которые жестко расположены на определенном расстоянии друг от друга и пропускают ионы только определенного диаметра; воротной части. Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мембраны: селективность и проводимость. Кальциевые каналы играют существенную роль в клетках сердца.

Список литературы

2. Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др. Гистология. М.

4. Филлиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., Высшая школа, 1985.Диффузия

5. Басниев К. С., Кочина Н. И., Максимов М. В. Подземная гидромеханика. // М.: Недра, 1993, с. 41-43

6. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. М., Мир, 1997

Цель работы: показать, что клеточная мембрана обладает избирательной проницаемостью. Наглядно продемонстрировать роль мембраны в процессе фагоцитоза и пиноцитоза.

Оборудование: микроскопы, покровные и предметные стекла, скальпели, препаровальные иглы, стаканчики для воды и растворов, фильтровальная бумага, пипетки, тушь. Культура инфузорий, амеб, лист элодеи. Растворы NaCl илиKCl, растворыCaClилиMgCl, 2%-ный раствор альбумина, 10%-ный раствор NaCl, дистиллированная вода.

Ход работы:

В слабый раствор NaCl или KClпоместите инфузории. Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Можно увидеть сморщивание клеток, указывающее на проницаемость клеточной оболочки. В данном случае вода из клетки выходит в окружающую среду. Перенесите клетки в каплю дистиллированной воды или оттяните из-под покровного стекла раствор при помощи фильтровальной бумаги и замените его на дистиллированную воду. Пронаблюдайте, как клетки набухают вследствие поступления в них воды.

Поместите инфузорий в раствор CaClилиMgClнебольшой концентрации (такой же, как и предыдущий раствор). Инфузории продолжают жить, каких-либо деформаций не наблюдается. ИоныCaиMgпонижают проницаемость клеточной оболочки, в противоположность ионам Na иK. Передвижения воды через оболочку не происходит.

Поместите амеб в каплю 2%-ного раствора альбумина (белок куриного яйца). Приготовьте микропрепарат для микроскопа. Через некоторое время на поверхности амеб начинают образовываться пузырьки, выпячивания, канальцы. Создается впечатление, что поверхность амеб «кипит». Это сопровождается интенсивным движением жидкости у поверхности мембраны. Пузырьки жидкости окружаются выступами цитоплазмы. Которые затем смыкаются. Пиноцитозные пузырьки иногда появляются внезапно, что говорит о быстром захвате капельки жидкости вместе с растворимым в ней веществом.

Поместите амеб в раствор сахара. Пиноцитоз отсутствует. Пиноцитоз вызывают лишь вещества, понижающие поверхностное натяжение клеточной оболочки, например аминокислоты, некоторые соли. В каплю жидкости, в которой находятся амебы, введите немного мелкорастертой туши. Приготовьте препарат для микроскопа. Через некоторое время амебы начинают медленно передвигаться в сторону крупинок туши, выпуская псевдоподии. Крупинки туши прикрепляются к поверхности псевдоподий, затем медленно окружаются ими и через некоторое время оказываются погруженными в цитоплазму. Под микроскопом наблюдайте явление фагоцитоза у амебы.

В цитоплазме клеток элодеи видно множество округло-овальных телец зеленого цвета – это хлоропласты. Рассмотрите клетки вблизи центральной жилки листа. В них можно обнаружить движение цитоплазмы и пластид вдоль стенок. Если движение малозаметно, подогрейте препарат под электролампой.

Зарисуйте все, что вы видели на микропрепаратах. Обсудите в группах увиденные процессы, попробуйте дать им объяснение.

Лабораторная работа выявление ароморфозов и идиоадаптаций у растений и животных

Цель работы: показать на конкретных примерах происхождение крупных систематических групп путем ароморфоза, познакомиться с примерами возможных идиоадаптаций организмов (дегенераций), раскрыть влияние деятельности человека на главные направления органической эволюции

Оборудование: гербарии растений (мох, подорожник, хвойные, покрытосеменные), растения с колючками, ворсом (верблюжья колючка, шиповник), рисунки клюва и ног птиц, животных с покровительственной (маскирующей) окраской, рыбы-ската.

Ход работы:

Анализируя основные особенности споровых, голосеменных и покрытосеменных растений, понять ароморфозы растений

Определить идиоадаптацию по колючке растений и железистым волокнам

Разобрать примеры идиоадаптации: строение клюва и ног птиц, обитающих в различных условиях среды

Выявить причины идиоадаптации в строении рыбы-ската

РАЗДЕЛ 2

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ

Лабораторная работа № 1

Сравнение проницаемости мембран живых и мертвых клеток

Задание: выявить различия в проницаемости мембран живых и мертвых клеток и сделать вывод о причинах этих различий.

Материалы и оборудование: пробирки, штатив для пробирок, скальпель, спиртовка или газовая горелка, 30%-й раствор уксусной кислоты, корнеплод столовой свеклы.

Порядок работы

1. Корнеплод свеклы после удаления покровных тканей разрезают на кубики (сторона кубика 5 мм) и тщательно промывают водой, чтобы удалить пигмент, вышедший из поврежденных клеток.

2. По одному кусочку свеклу опускают в три пробирки. В первую и вторую наливают по 5 мл воды, в третью - 5 мл 30%-го раствора уксусной кислоты. Первую пробирку оставляют для контроля. Содержимое второй кипятят 2-3 минуты.

3. Ввакуолях клеток корнеплода столовой свеклы содержится бетацианин - пигмент, придающий ткани корнеплода окраску. Тонопласты живых клеток непроницаемы для молекул этого пигмента. После гибели клеток тонопласт теряет свойство полупроницаемости, становится проницаемым, молекулы пигмента выходят из клеток и окрашивают воду.

Во второй и третьей пробирках, где клетки были убиты кипячением или кислотой, вода окрашивается, а в первой пробирке остается неокрашенной.

4. Записать результаты наблюдений.

Лабораторная работа № 2

Тургор, плазмолиз и деплазмолиз

Задание: изучить под микроскопом явления тургора, плазмолиза и деплазмолиза в клетках эпидермы синего лука.

Материалы и оборудование: микроскопы, препаровальные принадлежности, спиртовки, синий лук, корни столовой свеклы, 30%-й раствор сахара, 5-8%-й раствор калийной селитры.

Порядок работы

1. Сделать плоскостной срез эпидермы синего лука, положить его на предметное стекло в каплю воды.

2. Закрыть каплю покровным стеклом и наблюдать за клетками в состоянии тургора в микроскоп.

3. Взять каплю 30%-го раствора сахара и поместить ее рядом с покровным стеклом.

4. Касаясь фильтровальной бумагой противоположного конца покровного стекла, произвести замену воды в препарате раствором сахара.

5. Снова провести наблюдение под микроскопом. Если плазмолиз еще не заметен, повторить замену воды раствором сахара.

Под микроскопом будет хорошо заметен плазмолиз в живых клетках эпидермы.

6. Провести опыт в обратном порядке, т. е. снова вернуть воду и пронаблюдать явление деплазмолиза.

7. Зарисовать клетки в состоянии тургора, плазмолиза и деплазмолиза.

8. Для доказательства того, что плазмолиз и деплазмолиз происходят только в живых клетках, параллельно провести такой опыт. Один из срезов эпидермы лука, помещенный в каплю воды, подержать над пламенем спиртовки, чтобы убить клетки. Затем нанести раствор сахара и посмотреть, происходит ли плазмолиз.

Описанный опыт позволяет познакомиться не только с процессами тургора, плазмолиза и деплазмолиза, но и с процессом поступления веществ в клетку (в данном случае молекул сахара из раствора).

При изучении явлений плазмолиза и деплазмолиза в клетках корня столовой свеклы порядок работы такой же, но вместо раствора сахара лучше использовать 5%-й раствор калийной селитры.

Лабораторная работа № 3

Определение транспирации весовым методом

Задание: определить количество воды, испаряемое растением за определенный промежуток времени, весовым методом.

Материалы и оборудование: весы, разновесы, ножницы, посуда, подставка, живые растения.

Порядок работы

1. U-образную трубку укрепить на подставке и налить в нее воду. Срезать c растения один лист (или небольшую ветвь с двумя листьями) и при помощи ватной пробки укрепить его в одном колене (ватная пробка не должна касаться воды, иначе вода будет испаряться и через нее). Другое колено закрыть каучуковой или пластмассовой пробкой (если нет такой трубки, можно взять простую пробирку и поверхность воды залить растительным маслом, чтобы не было испарения).

2. Взвесить прибор и одновременно маленький кристаллизатор, наполненный водой. Приборчик и кристаллизатор поместить на окно.

3. Через 1-2 ч произвести повторное взвешивание. Масса уменьшается в обоих случаях, так как происходит испарение воды.

Лабораторная работа № 4

Наблюдение за движением устьиц

Задание: наблюдать за устьичными движениями, объяснить причину устьичных движений, зарисовать устьица в воде и в растворах 5-ти и
20%- го глицерина.

Цель работы: наблюдать за устьичными движениями в воде и в растворе глицерина.

Материалы и оборудование: растворы глицерина (5-ти и 20%-й), 1М раствор сахарозы, микроскопы, предметные и покровные стекла, препаровальные иглы, фильтровальная бумага, бюксы, листья любых растений.

Порядок работы

1. Приготовить несколько срезов нижней эпидермы листа и поместить их на 2 ч в 5%-й раствор глицерина. Глицерин проникает в вакуоли замыкающих клеток, понижает их водный потенциал и, следовательно, повышает их способность насасывать воду. Срезы помещают на предметное стекло в том же растворе, отмечают состояние клеток и зарисовывают их.

2. Заменить глицерин водой, оттягивая его из-под стекла фильтровальной бумагой. При этом наблюдается открывание устьичных щелей. Препарат зарисовать.

3. Воду заменить сильным осмотиком - 20%-ным раствором глицерина или 1М раствором сахарозы. Наблюдают закрывание устьиц.

4. Сделать выводы.

Лабораторная работа № 5

Продукты фотосинтеза

Задание: изучить процесс образования первичного крахмала в листьях.

Материалы и оборудование: спиртовки, водяные бани, ножницы, электроплитки, лампы накаливания в 200-300 Вт, посуда, живые растения (тыква, фасоль, пеларгония, примула и др.), этиловый спирт, раствор йода в йодистом калии.

Порядок работы

1. При помощи крахмальной пробы доказать, что в процессе фотосинтеза образуется крахмал.

Хорошо политое растение надо поставить на 2-3 дня в темное место. За это время произойдет отток ассимилятов из листьев. Новый крахмал образоваться в темноте не может.

Чтобы получить контраст от процесса фотосинтеза, часть листа надо затемнить. Для этого можно использовать фотонегатив или два одинаковых светонепроницаемых экрана, прикрепив их сверху и снизу. Рисунки на экране (вырезки) могут быть самыми различными.

Лампу накаливания в 200-300 Вт помещают на расстоянии 0,5 м от листа. Через час или два лист надо обработать, как указывалось выше. Удобнее это делать на плоской тарелке. Одновременно обрабатывают лист, который оставался затемненным все время.

Части, подвергавшиеся освещению, окрашиваются в синий цвет, а остальные имеют желтую окраску.

Летом можно видоизменить опыт - закрыть на растении несколько листьев, надев на них пакетики из черной светонепроницаемой бумаги с соответствующими вырезами; через двое - трое суток, в конце солнечного дня, срезать листья, прокипятить их сначала в воде, а потом обесцветить спиртом и обработать раствором йода в йодистом калии. Затемненные места листьев будут светлыми, а освещенные станут черными.

У некоторых растений (например, у лука) первичным продуктом фотосинтеза является не крахмал, а сахар, поэтому к ним крахмальная проба неприменима.

2. Записать результаты наблюдений.

Лабораторная работа № 6

Получение из листьев спиртовой вытяжки пигментов
и их разделение

Задание: получить спиртовую вытяжку пигментов, произвести их разделение и ознакомиться с основными свойствами пигментов.

Материалы и оборудование: ножницы, ступки с пестиками, штативы с пробирками, посуда, спиртовки, водяные бани, свежие или сухие листья (крапивы, аспидистры, плюща или других растений), этиловый спирт, бензин, 20%-й раствор NaОН (или КОН), сухой мел, песок.

Порядок работы

1. Поместить в чистую ступку измельченные ножницами сухие листья, добавить немного мела для нейтрализации кислот клеточного сока. Тщательно растереть массу пестиком, приливая этиловый спирт (100 см 3), затем профильтровать раствор.

Полученная вытяжка хлорофилла обладает флюоресценцией: в проходящем свете она зеленая, в отраженном свете - вишнево-красная.

2. Разделить пигменты методом Крауса.

Для этого надо налить в пробирку 2-3 см 3 вытяжки и добавить полуторный объем бензина и 2-3 капли воды; затем нужно встряхнуть пробирку и подождать, когда станут хорошо заметны два слоя - вверху бензиновый, внизу спиртовой. Если разделения не произойдет, следует добавить еще бензина и снова встряхнуть пробирку.

В случае появления мути надо добавить немного спирта.

Так как бензин в спирте не растворяется, он оказывается наверху. Зеленый цвет верхнего слоя говорит о том, что в бензин перешел хлорофилл. Кроме него в бензине растворяется и каротин. Внизу, в спирте, остается ксантофилл. Нижний слой имеет желтый цвет.

После отстаивания раствора образуются два слоя. В результате омыления хлорофилла происходит отщепление спиртов и образование натриевой соли хлорофиллина, которая, в отличие от хлорофилла, не растворяется в бензине.

Для лучшего омыления пробирку с добавлением NaОН можно поставить в водяную баню с кипящей водой и, как только раствор закипит, вынуть. После этого приливают бензин. В бензиновый слой (верхний) перейдут каротин и ксантофилл (цвет будет желтый), а в спиртовой - натриевая соль хлорофилловой кислоты.

Лабораторная работа № 7

Обнаружение дыхания растений

Задание: доказать, что при дыхании растений выделяется СО 2 , зарисовать прибор, который помогает обнаруживать дыхание по выделению СО 2 , сделать подписи к рисунку.

Материалы и оборудование: 2 стеклянные банки вместимостью 300-400 мл, 2 резиновые пробирки с отверстиями для воронки и трубки, 2 воронки, 2 изогнутые в виде буквы «П» стеклянные трубки длиной 18-20 см и диаметром 4-5 мм, 2 пробирки, химический стакан, раствор Ва(ОН) 2 , проросшие семена пшеницы, подсолнечника, кукурузы, гороха и др.

Порядок работы

1. В стеклянную банку насыпают 50- 60 г проросших семян, плотно закрывают ее пробкой, в которую вставлены воронка и изогнутая стеклянная трубка и оставляют на 1- 1,5 ч. За это время в результате дыхания семян в банке накопится диоксид углерода. Он тяжелее воздуха, поэтому сосредоточен в нижней части банки и не попадает в атмосферу через воронку или трубку.

2. Одновременно берут контрольную банку без семян, также закрывают ее резиновой пробкой с воронкой и стеклянной трубкой и ставят рядом с первой банкой.

3. Свободные концы стеклянных трубок опускают в две пробирки с баритовой водой. В обе банки через воронки начинают понемногу наливать воду. Вода вытесняет из банок воздух, обогащенный СО 2 , который поступает в пробирки с раствором Ва(ОН) 2 . В результате баритовая вода мутнеет.

4. Сравнивают степень помутнения Ва(ОН) 2 в обеих пробирках.

Лабораторная работа № 8

Определение интенсивности дыхания в чашках Конвея

Задание: проделать опыт и вычислить интенсивность дыхания исследуемых объектов в зависимости от вариантов опыта.

Материалы и оборудование: чашки Конвея, вазелин, бюретки, штативы, фильтровальная бумага, ножницы, весы, разновесы, реактивы: 0,1н Ва(ОН) 2 ; 0,1н HCl, фенолфталеин, любые проростки и взрослые растения или их органы.

Порядок работы

1. Чашки Конвея перед опытом калибруют, они должны быть одинакового объема для контрольного и опытного вариантов. Каждый вариант опыта ставят в трех повторностях.

2. Во внешний круг чашки Конвея раскладывают навеску растительного материала массой 0,5-1,0 г. Во внутренний цилиндр наливают 1 или 2 мл 0,1н Ва(ОН) 2 .. Чашку герметично закрывают притертой крышкой (так, чтобы на крышке проявился прозрачный контур шлифа чашки) и ставят на 20 - 40 мин в темноту (для исключения фотосинтеза в зеленых тканях растений). За время экспозиции накопившийся в объеме чашки Конвея углекислый газ реагирует с гидроксидом бария:

СО 2 + Ва(ОН) 2 = ВаСО 3 + Н 2 О.

Избыток Ва(ОН) 2 оттитровывают 0,1н НС1 по фенолфталеину до исчезновения розовой окраски.

3. Одновременно с опытной ставят контрольную чашку Конвея (без навески). В нее наливают такой же объем раствора 0,1н Ва(ОН) 2 , закрывают притертой крышкой и оставляют рядом с опытной чашкой. Гидроксид бария в этой чашке реагирует с углекислым газом, изначально находившимся в ее объеме в составе воздуха. Избыток барита оттитровывают.

4. По разнице объемов раствора соляной кислоты, пошедшей на оттитровывание избытка Ва(ОН) 2 в контрольной и опытной чашках, вычисляют интенсивность дыхания (И. д.):

Мг СО 2 /(г∙ч),

где V НС1к - объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН) 2 в контрольной чашке; V НС1оп - объем 0,1н НС1, пошедший на титрование избытка Ва(ОН) 2 в опытной чашке; Р - масса навески, г;

t - время, ч; 2,2 - коэффициент пересчета НС1 в СО 2 (1 мл 0,1н НС1 или Ва(ОН) 2 эквивалентен 2,2 мг СО 2).

Лабораторная работа № 9

Значение различных элементов для растений

Задание: изучить значение различных минеральных элементов для роста гриба аспергилла.

Материалы и оборудование: весы, термостат, ватные пробки, фильтры, пять колб по 100 см 3 , пробирки, пипетка, два стакана, воронка, минеральные соли, сахароза, органическая кислота (лимонная), культура гриба аспергилла, выращенная на кусочках картофеля или хлеба в течение 3-4 дней.

Порядок работы

1. Вырастить гриб на питательных смесях.

Установлено, что аспергилл предъявляет к условиям минерального питания примерно такие же требования, как высшие растения. Из минеральных элементов гриб не нуждается только в кальции. Питательные смеси готовят в колбах на 100 см 3 и составляют по определенной схеме (табл. 1).

Нумерация колб соответствует нумерации вариантов опыта. Внизу записывают результаты опыта.

Таблица 1

Схема составления питательных смесей

Вещества	Концентрация	Количество вещества (в мл) в колбах
		№ 1 - полная смесь	№ 2 - без N	№ 3 - без Р	№ 4 - без К	№ 5 - без минеральных веществ
Сахароза Лимонная кислота
Результаты Масса мицелия, г

Лимонную кислоту добавляют для создания кислой среды, благоприятной для аспергилла, но подавляющей развитие других микроорганизмов.

2. В пробирку или колбочку налить стерильную воду и поместить в нее мицелий гриба, взятый стерильной петлей, размешать содержимое вращением между пальцами или ладонями.

Полученную суспензию внести стерильной пипеткой во все колбы.

Закрыть колбы ватными пробками и поставить в термостат при температуре 30-35 °С. Наблюдение провести через неделю.

Сущность опыта заключается в том, что, определяя массу мицелия гриба, выращенного на различных питательных смесях, можно узнать его потребность в отдельных элементах.

3. Произвести взвешивание, для чего взять два чистых стакана, одну воронку и несколько одинаковых бумажных фильтров. Взвесить один стакан (№ 1) с воронкой и фильтром и записать массу. Затем поставить воронку в другой стакан (№ 2), перенести на фильтр мицелий гриба из первой колбы, промыть водой и после стенания воды перенести воронку обратно в стакан № 1. Снова произвести взвешивание. Ясно, что результат будет больше, так как добавился мицелий гриба.

Учебно-методическое пособие

... - Балашов : Николаев, 2007. - 48 с. ISBN 978-5-94035-300-3 В учебно -методическом пособии изложены методы... физиологии растений : учеб. пособие / под ред. В. Б. Иванова. - Академия, 2001. - 144 с. Занина, М. А. Физиология растений : учеб.-метод. пособие ...

Учебно-методический комплекс

... Учебно -методический комплекс Балашов ... ‘чувство’, физиология от греческих... учебный подстиль в учебной литературе для учебных методических пособиях ... и растений и... 2005 иметь ...

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА НАУЧНОЙ РЕЧИ Спецкурс для негуманитарных специальностей вузов Учебно-методический комплекс Балашов – 2008

Учебно-методический комплекс

... Учебно -методический комплекс Балашов ... ‘чувство’, физиология от греческих... учебный подстиль в учебной литературе для учебных заведений различных типов, справочниках, методических пособиях ... и растений и... 2005 г.). Мы раньше этого не делали, чтобы иметь ...

Учебно-методический комплекс (219)

Учебно-методическое пособие

Средства (растения , коллекции... ими учебных ... физиологией ... Г.Ю. Перспективные школьные технологии: учебно -методическое пособие /Г.Ю. Ксензова. - М.: ... 288 С. 6. Балашов , М. Дидактическая игра... - № 22. – 2005 . Педагогика: учеб. пособие / под ред. П. ...

1. Клеточные мембраны, их виды. Свойства мембран. Функции мембран.

Морфологическими и физиологическими исследованиями было показано, что большую роль в функционировании клетки играет клеточная мембраны.

Мембранные структуры : ядро, комплекс Гольджи, ЭПС и т.д.

Мембрана - это тонкая структура толщиной 7 нм. По своему химическому составу мембрана содержит 25% белков, 25% фосфолипидов, 13% холестерин, 4% липиды, 3% углеводы.

В структурном отношении основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов. Особенностью молекул фосфолипидов является то, что в своем составе они имеют гидрофильную и гидрофобную части. Гидрофильные части содержат полярные группы (фосфатные группы в фосфолипидах и гидроксидные в холестеринах). Гидрофильные части направлены к поверхности. А гидрофобные (жирные хвосты ) направлены к центру мембраны.

Молекула имеет два жирных хвоста, и эти углеводородные цепи могут находится в двух конфигурациях. Вытянутые - транс-конфигурация (цилиндр 0.48 нм). Второй вид - гош-транс-гош конфигурация. В этом случае два жирных хвоста расходятся и площадь увеличивается до 0.58 нм.

Молекулы липидов в нормальных условиях имеют жидкокристаллическую форму. И в этом состоянии они обладают подвижностью. Причем они могут, как передвигаться внутри своего слоя, так и переворачиваться. При понижении температуры происходит переход из жидкого состояния мембраны в желеобразное, и это уменьшает подвижность молекулы.

При движении молекулы липидов образуются микрополоски, которые называются кингами, в которые могут захватываться вещества . Липидный слой в мембране является барьером для водорастворимых веществ, но зато пропускает жирорастворимые вещества .

В составе мембраны кроме липидов имеются еще белковые молекулы. В основном это гликопротеины.

Интегральные белки проходят через оба слоя . Другие белки частично погружены либо в наружный, либо во внутренний слой. Они носят название периферических белков .

Данная модель мембраны называется жидко-кристалической моделью . Функционально белковые молекулы выполняют структурную, транспортную, ферментативную функции. Кроме того, они образуют ионные каналы с диаметром от 0.35 до 0.8 нм в диаметре, через которые могут проходить ионы. Каналы имеют свою специализацию. Интегральные белки участвуют в активном транспорте и в облегченной диффузии.

Периферическим белкам на внутренней стороне мембраны характерна ферментативная функция. На внутренней стороне - антигенная (антитела) и рецепторная функции.

Углеродные цепи могут присоединятся к белковым молекулам, и тогда образуются гликопротеинами . Или к липидам, тогда они называются гликолипидами .

Основными функции клеточных мембран будут являться:

1. Барьерная функция

2. Пассивный и активный перенос веществ.

3. Метаболическая функция (благодаря наличию в них ферментных систем)

4. Мембраны участвуют в создании электрических потенциалов в состоянии покоя, а при возбуждении - токов действия.

5. Рецепторная функция.

6. Иммунологическая (связана с наличием антигенов и выработкой антител).

7. Обеспечивают межклеточное взаимодействие и контактное торможение.

При контакте однородных клеток возникает торможение деления клеток. Эта функция утрачивается у раковых клеток. Кроме того, раковые клетки вступают в контакт не только со своими, но и с другими клетками, заражая их.

Функция проницаемости мембран. Транспорт.

Транспорт веществ через мембраны может быть пассивным и активным.

Пассивный перенос веществ через мембраны проходит без затрат энергии при наличии градиентов (разницы концентраций веществ, разности электрохимического градиента, при наличие градиента давления и осмотического градиента). При этом пассивный транспорт осуществляется с помощью:

Диффузии.

Фильтрация. Осуществляется при наличии разности гидростатического давления.

Осмос. При осмосе происходит движение растворителя. То есть вода из чистого раствора будет переходить в раствор с большей концентрацией.

Во всех этих случаях не происходит затраты энергии . Вещества идут через поры, которые имеются в мембране.

В мембране существуют поры с медленной проводимостью, но таких пор в мембране не много. Большинство каналов в мембране имеет в своем строении еще воротный механизм, который перекрывает канал. Эти каналы могут управляться двумя способами: реагировать на изменение заряда (электровозбудимые или потенциалозависимые каналы). В другом случае ворота в канале открываются, когда присоединяется химическое вещество (хемовозбудимые или лигандозависимые).

Активный перенос веществ через мембрану связан с переносом веществ против градиента.

Для активного транспорта используются интегральные белки, которые обладают ферментативными функциями. В качестве энергии используется АТФ. Интегральные белки имеют специальные механизмы (белок), которые активизируется либо при повышении концентрации вещества снаружи клетки, или при понижении внутри.

Токи покоя.

Мембранный потенциал. Снаружи мембрана заряжена положительно, а изнутри - отрицательной. 70-80 мВ.

Ток повреждения - это разность заряда между неповрежденным и поврежденным . Поврежденный заряжен отрицательно, относительно целой.

Метаболический ток - это разность понетциалов вследствии неодинакой интенсивности обменных процессов.

Происхождение мембранного потенциала объясняют с точки зрения мембранно-ионной теории , которая учитывает неодинаковую проницаемость мембраны для ионов и разный состав ионов во внутриклеточной и межклеточной жидкости. Установлено, что и внутриклеточная и межклеточная жидкость имеют одинаковое количество и положительных и отрицательных ионов, однако состав разный. Внешняя жидкость: Na + , Cl - Внутренняя жидкость: K + , A - (органические анионы)

В состоянии покоя мембрана по разному проницаема для ионов. Наибольшая проницаемость у калия, затем идет натрий и хлор. Для органических анионов мембраны не проницаемы.

Вследствие повышенной проницаемости для ионов калия, они выходят из клетки. В результате чего внутри скапливаются орг. анионы. В результате создается разница потенциалов (диффузионный калиевый потенциал), который идет до тех пор, пока он может выходить.

Расчетный калиевый потенциал равен -90 мВ. А практический потенциал равен -70 мВ. Это говорит о том, что в создании потенциала участвует и другой ион.

Для того, чтобы сдерживать потенциал в мембране, клетка должна работать, ибо перемещение ионов калия из клетки, а натрия в клетку, привело бы к нарушению равенства знака. Мембраны поляризованы. Снаружи заряд будет положительным, а снаружи - отрицательным.

Состояние электрического заряда мембраны.

Реверсия или овершут - изменение знака заряда . Возвращение к исходному заряду - реполяризация.

Токи при возбуждении .

При действии раздражителя на мембрану происходит кратковременное возбуждение. Процесс возбуждения является локальным и распространяется вдоль мембраны, а потом деполяризуется. По мере движения возбуждения деполяризуется новый участок мембраны и т.д. Ток действия является двухфазным током.

В каждой фазе тока действия можно выделить локальный ответ, который сменяется пиковым потенциалом, и за пиковым потенциалом идет отрицательный и положительный следовой потенциал. Возникает при действии раздражителя. Для объяснения тока действия была предложена мембранно-монная теория (Ходжи, Хаксли, Катц). Они показали, что потенциал действия больше потенциала покоя . При действии раздражителя на мембрану происходит смещение заряда на мембрану (частичная деполяризация) и это вызывает открытие натриевых каналов. Натрий проникает внутрь клетки, постепенно снижая заряд на мембране, но потенциал действия возникает не при любом действии, а лишь при критической величине (измениться на 20-30 мВ) - критическая деполяризация. При этом открываются практически все натриевые каналы открыты и в этом случае натрий начинает лавинообразно проникать в клетку. Возникает полная деполяризация. На этом процесс не останавливается, а продолжает поступать в клетку и заряжает до +40. На вершине пикового потенциала происходит закрытие h ворот. При таком значении потенциала в мембране открываются калиевые ворота. И поскольку Ка + больше внутри, то начинается выход Ка + из клетки, и заряд начнет возвращаться к исходной величине. По началу он идет быстро, а затем замедляется. Это явление носит название отрицательного хвостового потенциала. Затем заряд востанавливает на исходную велечину, а после этого регистрируется положительный следовой потенциал, характирующийся повышенной проницаемостью для калия. Возникает состояние гиперполяризации мембраны (положительный следовой потенциал) Движение ионов идет пассивно. За одно возбуждение 20 000 инов натрия входят в клетку, и 20 000 ионов калия выходят из клетки.

Насосный механизм необходим для восстановления концентрации. 3 положительных иона натрия вносятся, а 2 иона калия выходят наружу при активном транспорте.

Возбудимость мембраны меняется, а следовательно и потенциал действия. Во время локального ответа происходит постепенное повышение возбуждения. Во время пикового ответа возбуждение исчезает.

При отрицательном следовом потенциале возбудимость будет вновь повышаться, ибо мембрана вновь частично деполяризована. В фазе положительного светового потенциала происходит снижение возбудимости. В этих условиях возбудимость снижается.

Скорость возбудительного процесса - лабильность . Мера лабильности - число возбуждений в единицу времени . Нервные волокна воспроизводят от 500 до 1000 импульсов в секунду. Разные ткани обладают разной лабильностью.

2. Рецепторы, их классификация: по локализации (мембранные, ядерные), механизму развития процессов (ионо- и метаботропные), по скорости приема сигнала (быстрые, медленные), по роду воспринимающих веществ.

Получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивается особыми белками-рецепторами, для которых первичные посредники являются лигандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

• обладать высокой избирательностью к лиганду;
• кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;
• рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;
• связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

• мембранные
• рецепторные тирозинкиназы
• рецепторы, сопряжённые с G-белками
• ионные каналы
• цитоплазматические
• ядерные

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа.

Два основных класса мембранных рецепторов — это метаботропные рецепторы и ионотропные рецепторы.

Ионотропные рецепторы представляют собой мембранные каналы, открываемые или закрываемые при связывании с лигандом. Возникающие при этом ионные токи вызывают изменения трансмембранной разности потенциалов и, вследствие этого, возбудимости клетки, а также меняют внутриклеточные концентрации ионов, что может вторично приводитъ к активации систем внутриклеточных посредников. Одним из наиболее полно изученных ионотропных рецепторов является н-холинорецептор.

Структура G-белка, состоящего из трёх типов единиц (гетеротримерного) — αt/αi (голубые), β (красная) и γ (зелёная)

Метаботропные рецепторы связаны с системами внутриклеточных посредников. Изменения их конформации при связывании с лигандом приводит к запуску каскада биохимических реакций, и, в конечном счете, изменению функционального состояния клетки. Основные типы мембранных рецепторов:

Рецепторы, связанные с гетеротримерными G-белками (например, рецептор вазопрессина).

Рецепторы, обладающие внутренней тирозинкиназной активностью (например, рецептор инсулина или рецептор эпидермального фактора роста).

Рецепторы, связанные с G-белками, представляют собой трансмембранные белки, имеющие 7 трансмембранных доменов, внеклеточный N-конец и внутриклеточный C-конец. Сайт связывания с лигандом находится на внеклеточных петлях, домен связывания с G-белком — вблизи C-конца в цитоплазме.

Активация рецептора приводит к тому, что его α-субъединица диссоциирует от βγ-субъединичного комплекса и таким образом активируется. После этого она либо активирует, либо наоборот инактивирует фермент, продуцирующий вторичные посредники.

Рецепторы с тирозинкиназной активностью фосфорилируют последующие внутриклеточные белки, часто тоже являющиеся протеинкиназами, и таким образом передают сигнал внутрь клетки. По структуре это — трансмембранные белки с одним мембранным доменом. Как правило, гомодимеры, субъединицы которых связаны дисульфидными мостиками.

3. Ионотропные рецепторы, метаботропные рецепторы и их разновидности. Системы вторичных посредников действия метаботропных рецепторов (цАМФ, ц ГМФ, инозитол-3-фосфат, диацилглицерол, ионы Са++).

Рецепторы к нейромедиаторам располагаются на мембранах нейронов или клеток-мишеней (мышечные или железистые клетки). Их локализация может быть и на постсинаптических, и на пресинаптических мембранах. На пресинаптических мембранах чаще располагаются так называемые ауторецепторы, которые регулируют выделение этого же медиатора из пресинаптического окончания. Но есть и гетероауторецепторы, которые также регулируют выделение медиатора, но в этих рецепторах выделение одного медиатора регулирует другой медиатор или нейромодулятор.

Большинство рецепторов - это мембраносвязанные олигомерные белки, которые связывают лиганд (нейромедиатор) с высоким сродством и высокой селективностью. В результате этого взаимодействия запускается каскад внутриклеточных изменений. Рецепторы характеризуются сродством к лиганду, количеством, насыщаемостью и способностью к диссоциации рецептор-лигандного комплекса. У некоторых рецепторов обнаружены изоформы, которые различаются сродством к определенным лигандам. Эти изоформы могут находиться в одной и той же ткани.

Лиганды - это вещества, избирательно взаимодействующие с данным рецептором. Если фармакологическое вещество активирует данный рецептор, оно является агонистом для него, а если снижает его активность - то антагонистом.

Связывание лиганда с рецептором приводит к изменению конформации рецептора, вседствие чего или открываются ионные каналы, или запускается каскад реакций, приводящих к изменениям метаболизма.

Выделяют ионотропные и метаботропные рецепторы.

Ионотропные рецепторы. Вследствие образования постсинаптического потенциала происходит открытие соответствующего ионного канала или сразу при действии медиатора, или через активацию G-белка. При этом рецептор или сам образует ионный канал, или связан с ним. После присоединения лиганда и активации рецептора происходит открытие канала для соответствующего иона. В результате на мембране образуется постсинаптический потенциал. Ионотропные рецепторы - это путь быстрой передачи сигнала и образования ПСП без изменения процессов метаболизма в клетке.

Метаботропные рецепторы. Это более сложный путь передачи сигнала. При этом после связывания лиганда с рецептором происходит активация каскада фосфорилирование-дефосфорилирование. Это осуществляется или прямо, или через вторичные посредники, например, через тирозинкиназу, или через цАМФ, или цГМФ, или инозитолтрифосфат, или диацилглицерол, или за счет увеличения внутриклеточного кальция, что в результате приводит к активации протеинкиназ. Фосфорилирование чаще всего включает в себя активацию цАМФ-зависимой или диацилглицерол-зависимой протеинкиназы. Эти эффекты развиваются более медленно и длятся более долго.

Сродство рецептора к соответствующему нейромедиатору может меняться так же, как и к гормонам, например, за счет аллостерических изменений рецептора или других механизмов. Поэтому сейчас рецепторы обозначают как мобильные и легко изменяемые структуры. Входя в состав мембраны, белки-рецепторы могут взаимодействовать с другими мембранными белками (так называемая интернализация рецепторов). Нейромодуляторы, как и нейромедиаторы, могут влиять на число и чувствительность рецепторов. Длительное присутствие больших количеств нейромедиатора или нейромодулятора может снижать их чувствительность (даун-регуляция), а недостаток лигандов повышать их чувствительность (ап-регуляция).

4. Ионные каналы, их строение. Классификация ионных каналов. Натриевый и калиевый каналы.

Строение и функции ионных каналов. Ионы Na + , K + , Са 2+ , Сl - проникают внутрь клетки и выходят наружу через специальные, заполненные жидкостью каналы. Размер каналов довольно мал (ди-аметр 0,5—0,7 нм). Расчеты показывают, что суммарная площадь каналов занимает незначительную часть поверхности клеточной мембраны.

Функцию ионных каналов изучают различными способами. На-иболее распространенным является метод фиксации напряжения, или «voltage-clamp» (рис. 2.2). Сущность метода заключается в том, что с помощью специальных электронных систем в процессе опыта изменяют и фиксируют на определенном уровне мембранный по-тенциал. При этом измеряют величину ионного тока, протекающего через мембрану. Если разность потенциалов постоянна, то в соот-ветствии с законом Ома величина тока пропорциональна проводи-мости ионных каналов. В ответ на ступенчатую деполяризацию открываются те или иные каналы, соответствующие ионы входят в клетку по электрохимическому градиенту, т. е. возникает ионный ток, который деполяризует клетку. Это изменение регистрируется с помощью управляющего усилителя и через мембрану пропускается электрический ток, равный по величине, но противоположный по направлению мембранному ионному току. При этом трансмембран-ная разность потенциалов не изменяется. Совместное использование метода фиксации потенциала и специфических блокаторов ионных каналов привело к открытию различных типов ионных каналов в клеточной мембране.

В настоящее время установлены многие типы каналов для раз-личных ионов (табл. 2.1). Одни из них весьма специфичны, вторые, кроме основного иона, могут пропускать и другие ионы.

Изучение функции отдельных каналов возможно методом ло-кальной фиксации потенциала «path-clamp»; рис. 2.3, А). Стеклян-ный микроэлектрод (микропипетка) заполняют солевым раствором, прижимают к поверхности мембраны и создают небольшое разре-жение. При этом часть мембраны подсасывается к микроэлектроду. Если в зоне присасывания оказывается ионный канал, то регист-рируют активность одиночного канала. Система раздражения и ре-гистрации активности канала мало отличается от системы фиксации напряжения.

Таблица 2.1. Важнейшие ионные каналы и ионные токи возбудимых клеток

Тип канала	Функция		Блокатор канала
Калиевый (в покое)	Генерация потенциала покоя	I K + (утечка)
Натриевый	Генерация потенциала действия
Кальциевый	Генерация медленных потенциалов		D-600, верапамил
Калиевый (задержанное выпрямление)	Обеспечение реполяризации	I K + (задержка)
Калиевый кальций-активируемый	Ограничение деполяризации, обусловленной током Са 2+

Примечание. ТЭА — тетраэтиламмоний; ТТХ — тетродотоксин.

Наружная часть канала сравнительно доступна для изучения, исследование внутренней части представляет значительные трудности. П. Г. Костюком был разработан метод внутриклеточного диа-лиза, который позволяет изучать функцию входных и выходных структур ионных каналов без применения микроэлектродов. Ока-залось, что часть ионного канала, открытая во внеклеточное про-странство, по своим функциональным свойствам отличается от части канала, обращенной во внутриклеточную среду.

Именно ионные каналы обеспечивают два важных свойства мем-браны: 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 назы-ваемые воротные механизмы).

5. Понятие о возбудимости. Параметры возбудимости нервно-мышечной системы: порог раздражения (реобаза), полезное время (хронаксия). Зависимость силы раздражения от времени его действия (кривая Гоорвега-Вейса). Рефрактерность.

Возбудимость - способность клетки отвечать на раздражение формирование ПД и специфической реакцией.

1) фаза локального ответа - частичная деполяризация мембраны (вхождение Na + в клетку). Если нанести раздражитель небольшой, то ответ - сильнее.

Локальная деполяризация - фаза экзальтации.

2) фаза абсолютной рефрактерности - свойство возбудимых тканей не формировать ПД ни при каком по силе раздражителе

3) фаза относительной рефрактерности.

4) фаза медленной реполяризации - раздражение - опять сильный ответ

5) фаза гиперполяризации - возбудимость меньше (субнормальная), стимул должен быть большим.

Функциональная лабильность - оценка возбудимости ткани через максимально возможное количество ПД в единицу времени.

Законы возбуждения:

1) закон силы - сила раздражителя должна быть пороговой или надпороговой (минимальная величина силы, которая вызывает возбуждение). Чем сильнее раздражитель, тем сильнее возбуждение - только для объединений ткани (нервный ствол, мышца, исключение - ГМК).

2) закон времени - длительной действующего раздражителя должна быть достаточной для возникновения возбуждения.

Между силой и временем обратно пропорциональная зависимость в границах между минимальным временем и минимальной силой. Минимальная сила - реобаза - сила, которая вызывает возбуждение и не зависит от длительности. Минимальное время - полезное время. Хронаксия - возбудимость той или иной ткани, время, при котором возникает возбуждение, равно двум реобазам.

Чем больше сила, тем больше ответ до определенного значения.

Факторы, создающие МПП:

1) разность концентраций натрия и калия

2) различная проницаемость для натрия и калия

3) работа Na-К насоса (3 Na + выводится, 2 К + возвращается).

Зависимость между силой раздражителя и продолжительностью его воздействия, необходимого для возникновения минимальной ответной реакции живой структуры, очень хорошо можно проследить на так называемой кривой силы - времени (кривая Гоорвега-Вейса-Лапика).

Из анализа кривой следует, что, как бы ни велика была сила раздражителя, при недостаточной длительности его воздействия ответной реакции не будет (точки слева от восходящей ветви гиперболы). Аналогичное явление наблюдается при продолжительном действии подпороговых раздражителей. Минимальная сила тока (или напряжения), способная вызвать возбуждение, названа Лапиком реобазой (отрезок ординаты ОА). Наименьший промежуток времени, в течение которого ток, равный по силе удвоенной реобазе, вызывает в ткани возбуждение, называют хронаксией (отрезок абсциссы OF), которая представляет собой показатель пороговой длительности раздражения. Хронаксия измеряется в δ (тысячные доли секунды). По величине хронаксии можно судить о скорости возникновения возбуждения в ткани: чем меньше хронаксия, тем быстрее возникает возбуждение. Хронаксия нервных и мышечных волокон человека равна тысячным и десятитысячным долям секунды, а хронаксия так называемых медленных тканей, например мышечных волокон желудка лягушки, - сотым долям секунды.

Определение хронаксии возбудимых тканей получило широкое распространение не только в эксперименте, но и в физиологии спорта, в клинике. В частности, путем измерения хронаксии мышцы невропатолог может установить наличие повреждения двигательного нерва. Необходимо отметить, что раздражитель может быть достаточно сильным, иметь пороговую длительность, но низкую скорость нарастания во времени до пороговой величины, возбуждение в этом случае не возникает. Приспособление возбудимой ткани к медленно нарастающему раздражителю получило название аккомодации. Аккомодация обусловлена тем, что за время нарастания силы раздражителя в ткани успевают развиться активные изменения, повышающие порог раздражения и препятствующие развитию возбуждения. Таким образом, скорость нарастания раздражения во времени, или градиент раздражения, имеет существенное значение для возникновения возбуждения.

Закон градиента раздражения. Реакция живого образования на раздражитель зависит от градиента раздражения, т. е. от срочности или крутизны нарастания раздражителя во времени: чем выше градиент раздражения, тем сильнее (до определенных пределов) ответная реакция возбудимого образования.

Следовательно законы раздражения отражают сложные взаимоотношения между раздражителем и возбудимой структурой при их взаимодействии. Для возникновения возбуждения раздражитель должен иметь пороговую силу, обладать пороговой длительностью и иметь определенную скорость нарастания во времени.

6. Ионные насосы (АТФ-азы): K +- Na +-евая, Ca 2+-евая (плазмолеммы и саркоплазматического ретикулума), H +- K +-обменник.

Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы).

В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану (рис.13).

Перенос ионов транспортными АТФазами происходит вследствие сопряжения процессов переноса с химическими реакциями, за счет энергии метаболизма клеток.

При работе К+-Na+-АТФазы за счет энергии, освобождающейся при гидролизе каждой молекулы АТФ, в клетку переносится два иона калия и одновременно из клетки выкачиваются три иона натрия. Таким образом, создается повышенная по сравнению с межклеточной средой концентрация в клетке ионов калия и пониженная натрия, что имеет огромное физиологическое значение.

Признаки «бионасоса»:

1. Движение против градиента электрохимического потенциала.

2. поток вещества сопряжён с гидролизом АТФ (или другого источника энергии).

3. асимметрия транспортной машины.

4. насос in vitro способен гидролизовать АТФ только в присутствии тех ионов, которые он переносит in vivo.

5. при встраивании насоса в искусственную среду он способен сохранять селективность.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не изучен. Тем не менее прослеживаются основные этапы этого сложного ферментативного процесса. В случае К+-Nа+-АТФазы насчитывается семь этапов переноса ионов, сопряженных с гидролизом АТФ.

На схеме видно, что ключевыми этапами работы фермента являются:

1) образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны (эта реакция активируется ионами магния);

2) связывание комплексом трех ионов натрия;

3) фосфорилирование фермента с образованием аденозиндифосфата;

4) переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны;

5) реакция ионного обмена натрия на калий, происходящая на внешней поверхности мембраны;

6) обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки;

7) возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата (Р).

Таким образом, за полный цикл происходят выброс из клетки трех ионов натрия, обогащение цитоплазмы двумя ионами калия и гидролиз одной молекулы АТФ.

7. Мембранный потенциал, величина и происхождение.

Предложено много теорий, объясняющих происхождение биопотенциалов. Наиболее полно экспериментально обоснована мембранная теория, предложенная немецким исследователем Бернштейном (1902, 1912). В современный период эта теория модифицирована и экспериментально разработана Ходжкиным, Хаксли, Катцем (1949-1952).

Установлено, что в основе биоэлектрических явлений лежит неравномерное распределение (асимметрия) ионов в цитоплазме клетки и окружающей ее среде. Так, протоплазма нервных и мышечных клеток содержит в 30-50 раз больше ионов калия, в 8-10 раз меньше ионов натрия и в 50 раз меньше ионов хлора, чем внеклеточная жидкость. Кроме того, в состав цитоплазмы клетки входят органические анионы (крупномолекулярные соединения, несущие отрицательный заряд), которые отсутствуют во внеклеточной среде.

Сторонники мембранной теории основной причиной ионной асимметрии считают наличие клеточной мембраны со специфическими свойствами.

Мембрана клетки - это уплотненный слой цитоплазмы, толщина которого около 10 нм (100 А). Использование электронно-микроскопических методов исследования позволило определить тонкую структуру мембраны (рис. 55). Клеточная мембрана состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, который покрыт изнутри слоем белковых молекул, а снаружи - слоем молекул сложных углеводов - мукополисахаридов. В мембране имеются специальные каналы - "поры", через которые вода и ионы проникают внутрь клетки. Предполагают, что для каждого иона имеются специальные каналы. В связи с этим проницаемость мембраны для тех или иных ионов будет зависеть от размеров пор и диаметров самих ионов.

В состоянии относительного физиологического покоя мембрана обладает повышенной проницаемостью для ионов калия, проницаемость же ее для ионов натрия резко снижена.

Таким образом, особенности проницаемости клеточной мембраны, а также размеры самих ионов являются одной из причин, обеспечивающих асимметрию распределения ионов по обе стороны клеточной мембраны. Ионная же асимметрия - одна из основных причин возникновения потенциала покоя, при этом ведущая роль принадлежит неравномерному распределению ионов калия.

Ходжкиным выполнены классические опыты на гигантском нервном волокне кальмара. Выравнивали концентрацию ионов калия внутри волокна и в окружающей жидкости - потенциал покоя исчезал. Если же волокно заполнялось искусственным солевым раствором, близким по составу к внутриклеточной жидкости, между внутренней и наружной сторонами мембраны устанавливалась разность потенциалов, примерно равная потенциалу покоя нормального волокна (50-80 мВ).

Механизм возникновения потенциала действия значительно сложнее. Основная роль в возникновении токов действия принадлежит ионам натрия. При действии раздражителя пороговой силы проницаемость мембраны клетки для ионов натрия возрастает в 500 раз и превышает проницаемость для ионов калия в 10-20 раз. В связи с этим натрий лавинообразно устремляется в клетку, что приводит к перезарядке клеточной мембраны. Наружная поверхность заряжается отрицательно по отношению к внутренней. Происходит деполяризация клеточной мембраны, сопровождающаяся реверсией мембранного потенциала. Под реверсией мембранного потенциала понимают то количество милливольт (мВ), на которое потенциал действия превышает потенциал покоя. Восстановление исходного уровня мембранного потенциала (реполяризация) осуществляется за счет резкого снижения натриевой проницаемости (инактивация) и активного переноса ионов натрия из цитоплазмы клетки в окружающую среду.

Доказательства натриевой гипотезы потенциала действия также были получены Ходжкиным. Действительно, если потенциал действия имеет натриевую природу, то, варьируя концентрацию ионов натрия, можно изменить величину потенциала действия. Оказалось, что при замене 2/3 морской воды, которая является нормальной окружающей средой для гигантского аксона кальмара, на изотонический раствор декстрозы, т. е. при изменении концентрации натрия в окружающей среде на 2/3, потенциал действия уменьшается наполовину.

Таким образом, возникновение биопотенциалов является функцией биологической мембраны, обладающей избирательной проницаемостью. Величина потенциала покоя и потенциала действия обусловливается ионной асимметрией в системе клетка - среда.

8. Электрические явления в нервной и мышечной тканях при возбуждении. Потенциал действия, его величина, фазы и продолжительность. Соотношение фаз потенциала действия с фазами возбудимости.

Выше мы уже показывали, что проведение возбуждения в нервных и мышечных волокнах осуществляется с помощью электрических импульсов, распространяющихся по поверхностной мембране. Передача же возбуждения с нерва на мышцу основана на другом механизме. Она осуществляется в результате выделения нервными окончаниями высокоактивных химических соединений - медиаторов нервного импульса. В синапсах скелетных мышц таким медиатором является ацетилхолин (АХ).

В нервно-мышечном синапсе выделяют три основных структурных элемента - пресинаптическая мембрана на нерве,постсинаптическая мембрана на мышце, между ними - синаптическая щель . Форма синапса может быть разнообразной. В состоянии покоя АХ содержится в так называемых синаптических пузырьках внутри концевой пластинки нервного волокна. От синаптической щели цитоплазма волокна с плавающими в ней синаптическими пузырьками отделена пресинаптической мембраной. При деполяризации пресинаптической мембраны меняется ее заряд и проницаемость, пузырьки подходят близко к мембране и изливаются в синаптическую щель, ширина которой достигает 200-1000 ангстрем. Медиатор начинает диффундировать через щель к постсинаптической мембране.

Постсинаптическая мембрана не электрогенна, но обладает высокой чувствительностью к медиатору за счет наличия в ней так называемых холинорецепторов - биохимических групп, способных избирательно реагировать с АХ. Последний достигает постсинаптической мембраны через 0,2-0,5 мсек. (так называемая "синаптическая задержка" ) и, взаимодействуя с холинорецепторами, вызывает изменение проницаемости мембраны для Na, что приводит к деполяризации постсинаптической мембраны и генерации на ней волну деполяризации, которая носит название возбуждающего постсинаптического потенциала , (ВПСП ), величина которого превышает Ек соседних, электрогенных участков мембраны мышечного волокна. В результате в них возникает ПД (потенциал действия), который распространяется по всей поверхности мышечного волокна, вызывая затем его сокращение, инициируя процесс т.н. электромеханического сопряжения (Каплинг). Медиатор в синаптической щели и на постсинаптической мембране работает очень короткое время, так как разрушается ферментом холинэстеразой, которая готовит синапс к восприятию новой порции медиатора. Показано также, что часть не прореагировавшего АХ может возвращаться в нервное волокно.

При очень частых ритмах раздражения постсинаптические потенциалы могут суммироваться, так как холинэстераза не успевает полностью расщепить выделяющийся в нервных окончаниях АХ. В результате такой суммации постсинаптическая мембрана все более и более деполяризуется. При этом соседние электрогенные участки мышечного волокна приходят в состояние угнетения, сходное с тем, которое развивается при продолжительном действии катода постоянного тока(катодическая депрессия Вериго).

Возбуждение в ткани проявляется в появлении специфической для нее функции (проведение возбуждения нервной тканью, сокращение мышцы, секреция железы) и неспецифических реакциях (генерация потенциала действия, метаболические изменения).

Ток действия (ПД и ПКП) - электрический ток, возникающий в нервных, мышечных и некоторых растительных клетках между их возбуждёнными и соседними покоящимися участками. Обусловлен изменениями ионной проницаемости мембраны и потенциала, которые развиваются в возбуждённом участке. Играет важную роль в распространении потенциала действия вдоль клетки (волокна). Потенциал действия - это сдвиг мембранного потенциала, возникающий в ткани при действии порогового и сверхпорогового раздражителя, что сопровождается перезарядкой клеточной мембраны.

При действии порогового или сверхпорогового раздражителя изменяется проницаемость клеточной мембраны для ионов в различной степени. Для ионов Na она повышается в 400-500 раз, и градиент нарастает быстро, для ионов К - в 10-15 раз, и градиент развивается медленно. В результате движение ионов Na происходит внутрь клетки, ионы К двигаются из клетки, что приводит к перезарядке клеточной мембраны. Наружная поверхность мембраны несет отрицательный заряд, внутренняя - положительный. Точные измерения, показали, что амплитуда потенциала действия на 30-50 мВ превышает величину потенциала покоя.

Фазы ПД. ПД состоит из 2 фаз:

1. Фаза деполяризации. Соответствует быстрому изменению мембранного потенциала (деполяризации мембраны) примерно на 110 мВ. Мембранный потенциал изменяется от уровня покоя (около -70мВ) до значения, близкого к равновесному потенциалу - потенциал при котором входящий ток принимает нулевое значение (ЕNa+ (примерно 40 мВ)).

2. Фаза реполяризации. Мембранный потенциал вновь достигает уровня покоя (мембрана реполяризуется), после чего наступает гиперполяризация до значения примерно на 10 мВ меньшего (более отрицательного), чем потенциал покоя, т.е. примерно -80 мВ.

Продолжительность потенциала действия в нервных и в скелетных мышечных волокнах варьирует в пределах 0,1 - 5 мсек., при этом фаза реполяризации всегда продолжительнее фазы деполяризации.

Соотношение фаз потенциала действия и возбудимости. Уровень возбудимости клетки зависит от фазы ПД. В фазу локального ответа возбудимость возрастает. Это фазу возбудимости называют латентным дополнением. В фазу реполяризации ПД, когда открываются все натриевые каналы и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, никакой даже сверхсильный раздражитель не может стимулировать этот процесс. Поэтому фазе деполяризации соответствует фаза абсолютной рефрактерности. В фазе реполяризации все большая часть натриевых каналов закрывается. Однако они могут вновь открываться при действии сверхпорогового раздражителя. Этому соответствует фаза относительной рефрактерности. Во время следовой деполяризации МП находится у критического уровня, поэтому даже допороговые стимулы могут вызвать возбуждение клетки. Следовательно в этот момент ее возбудимость повышена. Эта фаза называется фазой супернормальной возбудимости. В момент следовой гиперполяризации МП выше исходного уровня. Она находится в фазе субнормальной возбудимости.

9. Строение скелетных мышц и их иннервация. Моторная единица. Физиологические свойства мышц, их особенности у новорожденного.

Морфо-функциональная классификация мышц :

1. Поперечно-полосатые

а) скелетные - многоядерные клетки, поперечно-исчерченные, ядра ближе к сарколемме. Масса 40%.

б) сердечные - поперечно-исчерченные, одноядерные клетки, ядро в центре. Масса 0,5%.

2. Гладкие - одноядерные клетки, не имеют поперечной исчерченности. Входят в в состав других органов. Общая масса 5-10%.

Общие свойства мышц.

1) Возбудимость. ПП = - 90мВ. Амплитуда ПД = 120 мВ - реверсия знака +30 мВ.

2) Проводимость - способность проводить ПД по клеточной мембране (3-5 м/с). Обеспечивает доставку ПД к Т-трубочкам и от них к L-трубочкам, высвобождающим кальций.

3) Сократимость - способность укорачиваться или развивать напряжение при возбуждении.

4) Эластичность - способность возвращаться к первоначальной длине.

Функции скелетных мышц :

1. Передвижение тела в пространстве

2. Перемещение частей тела друг относительно друга

3. Поддержание позы

4. Теплообразование

5. Передвижение крови и лимфы (динамическая работа)

6. Участие в вентиляции легких

7. Защита внутренних органов

8. Антистрессорный фактор

Уровни организации скелетной мышцы :

Цельная мышца окружена эпимизием, к ней подходят сосуды и нервы. Отдельные мышечные пучки покрыты перимизием. Пучок из клеток (мышечное волокно или симпласт) - покрыты эндомизием. Клетка содержит миофибриллы из миофиламентов, основные белки - актин, миозин, тропомиозин, тропонин, кальциевая АТФ-аза, креатинфосфокиназа, структурные белки.

В мышце выделяют моторные (двигательные, нейромоторные единицы) - это функциональное объединение двигательного нейрона, его аксона и мышечных волокон иннервируемых этим аксоном. Эти мышечные волокна могут располагаться в разных участках (пучках) мышцы.

Моторная единица (МЕ) является функциональной единицей скелетной мышцы. МЕ включает в себя - двигательный нейрон и иннервируемая им группа мышечных волокон.

Типы мышечных волокон :

1) медленные фазические волокна окислительного типа

2) быстрые фазический волокна окислительного типа (2а тип)

3) быстрые фазические волокна гликолитического типа (2б тип)

4) тонические волокна

Механизмы сокращения мышц .

А) одиночного мышечного волокна

Б) целой мышцы

Скелетная мышца обладает следующими важнейшими свойствами:

1) возбудимостью — способностью отвечать на действие раздражителя изменением ионной проводимости и мембранного потенциала. В естественных условиях этим раздражителем является медиатор ацетилхолин

2) проводимостью — способностью проводить потенциал действия вдоль и в глубь мышечного волокна по Т-системе;

3) сократимостью — способностью укорачиваться или развивать напряжение при возбуждении;

4) эластичностью — способностью развивать напряжение при растягивании.

10. Режимы сокращения мышц: изотонический и изометрический. Абсолютная сила мышц. Возрастные изменения силы мышц.

Сократительная способность скелетной мышцы харак-теризуется силой сокращения, которую развивает мышца (обычно оценивают общую силу, которую может развивать мышца, и абсолютную, т. е. силу, приходящуюся на 1 см 2 поперечного сечения).длиной укорочения, степенью напряжения мышечного волокна, скоростью укорочения и раз-вития напряжения, скоростью расслабления. По-скольку эти параметры в большой степени определяются исходной длиной мышечных волокон и нагрузкой на мышцу, исследования сократительной способности мышцы производят в различных режи-мах.

Раздражение мышечного волокна одиночным пороговым или сверхпороговым стимулом приводит к возникновению одиночного со-кращения, которое состоит из нескольких периодов (рис. 2.23). Пер-вый — латентный период представляет собой сумму временных задержек, обусловленных возбуждением мембраны мышечного волок-на, распространением ПД по Т-системе внутрь волокна, образованием инозитолтрифосфата, повышением концентрации внутриклеточного кальция и активации поперечных мостиков. Для портняжной мышцы лягушки латентный период составляет около 2 мс.

Второй — период укорочения, или развития напря-жения. В случае свободного укорочения мышечного волокна говорят об изотоническом режиме сокращения, при котором напряжение практически не изменяется, а меняется только длина мышечного во-локна. Если мышечное волокно закреплено с двух сторон и не может свободно укорачиваться, то говорят об изометрическом режиме со-кращение Строго говоря, при данном режиме сокращения длина мы-шечного волокна не изменяется, в то время как размеры саркомеров меняются за счет скольжения нитей актина и миозина относительно друг друга. В этом случае возникающее напряжение передается на эластические элементы, расположенные внутри волокна. Эластиче-скими свойствами обладают поперечные мостики миозиновых нитей, актиновые нити, Z-пластинки, продольно расположенная саркоплазматическая сеть и сарколемма мышечного волокна.

В опытах на изолированной мышце выявляется растяжение со-единительнотканных элементов мышцы и сухожилий, которым пе-редается напряжение, развиваемое поперечными мостиками.

В организме человека в изолированном виде изотонического или изометрического сокращения не происходит. Как правило, развитие напряжения сопровождается укорочением длины мышцы — ауксотонический режим сокращение

Третий — период расслабления, когда уменьшается кон-центрация ионов Са 2+ и отсоединяются головки миозина от актиновых филаментов.

Полагают, что для одиночного мышечного волокна напряжение, развиваемое любым саркомером, равно напряжению в любом другом саркомере. Поскольку саркомеры соединены последовательно, скорость, с которой происходит сокращение мышечного волокна, про-порциональна числу его саркомеров. Таким образом при одиночном сокращении скорость укорочения длинного мышечного волокна вы-ше, чем у более короткого. Величина усилия, развиваемого мышеч-ным волокном, пропорциональна числу миофибрилл в волокне. При мышечной тренировке число миофибрилл увеличивается, что явля-ется морфологическим субстратом увеличения силы сокращения мышц. Одновременно увеличивается и число митохондрии, повы-шающих выносливость мышечного волокна при физической на-грузке.

В изолированной мышце величина и скорость одиночного сокра-щения определяются рядом дополнительных факторов. Величина одиночного сокращения в первую очередь будет определяться числом двигательных единиц, участвующих в сокращении. Поскольку мыш-цы состоят из мышечных волокон с различным уровнем возбуди-мости, имеется определенная зависимость между величиной стимула и ответной реакцией. Увеличение силы сокращения возможно до определенного предела, после которого амплитуда сокращения ос-тается неизменной при увеличении амплитуды стимула. При этом все мышечные волокна, входящие в состав мышцы, принимают участие в сокращении.

Важность участия всех мышечных волокон в сокращении пока-зана при изучении зависимости скорости укорочения от величины нагрузки.

При нанесении второго стимула в период укорочения или раз-вития мышечного напряжения происходит суммация двух следую-щих друг за другом сокращений и результирующий ответ по амп-литуде становится значительно выше, чем при одиночном стимуле; если мышечное волокно или мышцу стимулировать с такой частотой, что повторные стимулы будут приходиться на период укорочения, или развития напряжения, то происходит полная суммация единич-ных сокращений и развивается гладкий тетанус (рис. 2.25, В). Тетанус — сильное и длительное сокращение мышцы. Полагают, что в основе этого явления лежит повышение концентрации кальция внутри клетки, что позволяет осуществляться реакции взаимодействия актина и миозина и генерации мышечной силы поперечными мостиками достаточно длительное время. При уменьшении частоты стимуляции возможен вариант, когда повторный стимул наносят в период расслабления. В этом случае также возникнет суммация мышечных сокращений, однако будет наблюдаться характерное западение на кривой мышечного сокращения (рис. 2.25, Г) — неполная суммация, или зубчатый тетанус.

При тетанусе происходит суммация мышечных сокращений, в то время как ПД мышечных волокон не суммируются.

В естественных условиях одиночные сокращения скелетных мышц не встречаются. Происходит сложение, или суперпозиция, сокраще-ний отдельных нейромоторных единиц. При этом сила сокращения может увеличиваться как за счет изменения числа двигательных единиц, участвующих в сокращении, так и за счет изменения частоты импульсации мотонейронов. В случае увеличения частоты импульсации будет наблюдаться суммация сокращений отдельных двигательных единиц.

Одной из причин увеличения силы сокращения в естественных условиях является частота импульсов, генерируемых мотонейрона-ми. Второй причиной этого служат увеличение числа возбуждаю-щихся мотонейронов и синхронизация частоты их возбуждения. Рост числа мотонейронов соответствует увеличению количества дви-гательных единиц, участвующих в сокращении, а возрастание сте-пени синхронизации их возбуждения способствует увеличению ам-плитуды при суперпозиции максимального сокращения, развивае-мого каждой двигательной единицей в отдельности.

Сила сокращения изолированной скелетной мышцы при прочих равных условиях зависит от исходной длины мышцы. Умеренное растяжение мышцы приводит к тому, что развиваемая ею сила возрастает по сравнению с силой, развиваемой нерастянутой мыш-цей. Происходит суммирование пассивного напряжения, обуслов-ленного наличием эластических компонентов мышцы, и активного сокращения. Максимальная сила сокращения достигается при раз-мере саркомера 2—2,2 мкм (рис. 2.26). Увеличение длины саркомера приводит к уменьшению силы сокращения, поскольку уменьшается область взаимного перекрытия актиновых и миозиновых нитей. При длине саркомера 2,9 мкм мышца может развивать силу, равную только 50% от максимально возможной.

В естественных условиях сила сокращения скелетных мышц при их растяжении, например при массаже, увеличивается вследствие работы гамма-эфферентов.

Абсолютная мышечная сила - отношение максимальной силы мышцы к ее физиологическому поперечнику, т.е. максимальный груз, который поднимает мышца, деленный на суммарную площадь всех мышечных волокон. Сила сокращения, не остаются постоянными на всём протяжении жизни. В результате продолжительной деятельности работоспособность скелетной мускулатуры понижается. Это явление называется утомлением. При этом снижается сила сокращений, увеличиваются латентный период сокращения и период расслабления.

11. Одиночные сокращения мышцы, его фазы. Фазы изменения возбудимости мышцы. Особенности одиночного сокращения у новорожденных.

Раздражение мышцы или иннервирующего ее двигательного нерва одиночным стимулом вызывает одиночное сокращение мышцы. В нем различают две основные фазы: фазу сокращения и фазу расслабления. Сокращение мышечного волокна начинается уже во время восходящей ветви ПД. Длительность сокращения в каждой точке мышечного волокна в десятки раз превышает продолжительность ПД. Поэтому наступает момент, когда ПД прошел вдоль всего волокна и закончился, волна же сокращения охватила все волокно и оно продолжает быть укороченным. Это соответствует моменту максимального укорочения или напряжения мышечного волокна.

Сокращение каждого отдельного мышечного волокна при одиночных сокращениях подчиняется закону "все или ничего ". Это означает, что сокращение, возникающее как при пороговом, так и при сверхпороговом раздражении, имеет максимальную амплитуду. Величина же одиночного сокращения всей мышцы зависит от силы раздражения. При пороговом раздражении сокращение ее едва заметно, с увеличением же силы раздражения оно нарастает, пока не достигнет известной высоты, после чего уже остается неизменной (максимальное сокращение). Это объясняется тем, что возбудимость отдельных мышечных волокон неодинакова, и поэтому только часть их возбуждается при слабом раздражении. При максимальном сокращении они возбуждены все. Скорость проведения волны сокращения мышцы совпадает со скоростью распространения ПД. В двуглавой мышце плеча она равна 3,5-5,0 м/сек.

Одиночное сокращение - сокращение на одно раздражение . В нем выделяют латентный период, фазу сокращения и фазу расслабления. В момент латентного периода возникает рефроктерная фаза. Но уже в начале фазы укорочения она восстанавливается.

12. Суммация сокращений мышц. Тетанические сокращения.

Если в эксперименте на отдельное мышечное волокно или на всю мышцу действуют два быстро следующих друг за другом сильных одиночных раздражения, то возникающее сокращение будет иметь большую амплитуду, чем максимальное одиночное сокращение. Сократительные эффекты, вызванные первым и вторым раздражением, как бы складываются. Это явление носит название суммации сокращений. Для возникновения суммации необходимо, чтобы интервал между раздражениями имел определенную длительность - он должен быть длиннее рефрактерного периода, но короче всей длительности одиночного сокращения, чтобы второе раздражение подействовало на мышцу раньше, чем она успеет расслабиться. При этом возможны два случая. Если второе раздражение поступает, когда мышца уже начала расслабляться, на миографической кривой вершина второго сокращения будет отделяться от первого западением. Если же второе раздражение действует, когда первое сокращение еще не дошло до своей вершины, то второе сокращение как бы сливается с первым, образуя вместе с ним единую суммированную вершину. Как при полной, так и при неполной суммации ПД не суммируются. Такое суммированное сокращение в ответ на ритмические раздражения называются тетанусом. В зависимости от частоты раздражения он бывает зубчатый и гладкий.

Причина суммации сокращений при тетанусе кроется в накоплении ионов Са++ в межфибриллярном пространстве до концентрации 5*10 6 мМ/л. После достижения этой величины дальнейшее накопление Са++ не приводит к увеличению амплитуды тетануса.

После прекращения тетанического раздражения волокна вначале расслабляются не полностью, и их исходная длина восстанавливается лишь по истечении некоторого времени. Это явление называется посттетанической, или остаточной контрактурой. Она связана с тем. что требуется больше времени для удаления из межфибриллярного пространства всего Са++, попавшего туда при ритмических стимулах и не успевшего полностью удалиться в цистерны саркоплазматического ретикулюма работой Са-насосов.

Если после достижения гладкого тетануса еще больше увеличивать частоту раздражения, то мышца при какой-то частоте начинает вдруг расслабляться. Это явление называется пессимумом . Он наступает тогда, когда каждый следующий импульс попадает в рефрактерность от предыдущего.

13. Ультраструктура миофибрилл. Сократительные белки (актин, миозин). Регуляторные белки (тропонин, тропомиозин) в составе тонких протофибрилл. Теория сокращения мышц.

Миофибриллы представляют собой сократительный аппарат мышечного волокна. В поперечно-полосатых мышечных волокнах миофибриллы разделены на правильно чередующиеся участки (диски), обладающие разными оптическими свойствами. Одни из этих участков анизотропны, т.е. обладают двойным лучепреломлением. В обычном свете они выглядят темными, а в поляризованном - прозрачными в продольном и непрозрачными в поперечном направлении. Другие участки изотропны, и выглядят прозрачными при обыкновенном свете. Анизотропные участки обозначаются буквой А , изотропные -I. В середине диска А проходит светлая полоска Н , а посередине диска I проходит темная полоска Z , представляющая собой тонкую поперечную мембрану, сквозь поры которой проходят миофибриллы. Благодаря наличию такой опорной структуры параллельно расположенные однозначные диски отдельных миофибрилл внутри одного волокна во время сокращения не смещаются по отношению друг к другу.

Установлено, что каждая из миофибрилл имеет диаметр около 1 мк и состоит в среднем из 2500 протофибрилл, представляющих собой удлиненные полимеризованные молекулы белком миозина и актина. Миозиновые нити (протофибриллы) вдвое толще актиновых. Их диаметр составляет примерно 100 ангстрем. В состоянии покоя мышечного волокна нити расположены в миофибрилле таким образом, что тонкие длинные актиновые нити входят своими концами в промежутки между толстыми и более короткими миозиновыми нитями. В таком участке каждая толстая нить окружена 6 тонкими. Благодаря этому диски I состоят только из актиновых нитей, а диски А еще и из нитей миозина. Светлая полоска Н представляет собой зону, свободную в период покоя от актиновых нитей. Мембрана Z, проходя через середину диска I, скрепляет между собой нити актина.

Важным компонентом ультрамикроскопической структуры миофибрилл являются также многочисленные поперечные мостики на миозине. В свою очередь на нитях актина имеются так называемые активные центры, в покое прикрытые, как чехлом, специальными белками - тропонином и тропомиозином. В основе сокращения лежит процесс скольжения нитей актина относительно миозиновых нитей. Такое скольжение вызывается работой т.н. "химического зубчатого колеса", т.е. периодически протекающих циклов изменений состояния поперечных мостиков и их взаимодействия с активными центрами на актине. В этих процессах важную роль играют АТФ и ионы Са+.

При сокращении мышечного волокна нити актина и миозина не укорачиваются, а начинают скользить друг по другу: актиновые нити вдвигаются между миозиновыми, в результате чего длина дисков I укорачивается, а диски А сохраняют свой размер, сближаясь друг с другом. Полоска Н почти исчезает, т.к. концы актина соприкасаются и даже заходят друг за друга.

14. Связь возбуждения и сокращения (электромеханического сопряжения) в мышечных волокнах. Роль ионов кальция. Функция саркоплазматического ретикулума.

В скелетной мышце в естественных условиях инициатором мышечного сокращения является потенциал действия, распространяющийся при возбуждении вдоль поверхностной мембраны мышечного волокна.

Если кончик микроэлектрода приложить к поверхности мышечного волокна в области мембраны Z, то при нанесении очень слабого электрического стимула, вызывающего деполяризацию, диски I по обе стороны от места раздражения начнут укорачиваться. при этом возбуждение распространяется вглубь волокна, вдоль мембраны Z. Раздражение других участков мембраны такого эффекта не вызывает. Из этого следует, что деполяризация поверхностной мембраны в области диска I при распространении ПД является пусковым механизмом сократительного процесса.

Дальнейшие исследования показали, что важным промежуточным звеном между деполяризацией мембраны и началом мышечного сокращения является проникновение в межфибриллярное пространство свободных ионов СА++. В состоянии покоя основная часть Са++ в мышечном волокне хранится в саркоплазматическом ретикулюме.

В механизме мышечного сокращения особую роль играет та часть ретикулюма, которая локализована в области мембраны Z. Электронно-микроскопически здесь обнаруживается т.н.триада (Т-система) , каждая из которых состоит из центрально расположенной в области мембраны Z тонкой поперечной трубочки, идущей поперек волокна, и двух боковых цистерн саркоплазматического ретикулюма, в которых заключен связанный Са++. ПД, распространяющийся вдоль поверхностной мембраны, проводится вглубь волокна по поперечным трубочкам триад. Затем возбуждение передается на цистерны, деполяризует их мембрану и она становится проницаема для СА++.

Экспериментально установлено, что существует некоторая критическая концентрация свободных ионов Са++, при которой начинается сокращение миофибрилл. Она равна 0,2-1,5*10 6 ионов на волокно. Увеличение концентрации Са++ до 5*10 6 вызывает уже максимальное сокращение.

Начало мышечного сокращения приурочено к первой трети восходящего колена ПД, когда его величина достигает примерно 50 мв. Полагают, что именно при этой величине деполяризации концентрация Са++ становится пороговой для начала взаимодействия актина и миозина.

Процесс освобождения Са++ прекращается после окончания пика ПД. Тем не менее сокращение продолжает еще нарастать до тех пор, пока не вступает в действие механизм, обеспечивающий возвращение Са++ в цистерны ретикулюма. Такой механизм назван "кальциевым насосом". Для осуществления его работы используется энергия, получаемая при расщеплении АТФ.

В межфибриллярном пространстве Са++ взаимодействует с белками, закрывающими активные центры актиновых нитей - тропонином и тропомиозином, обеспечивая возможность для осуществления реакции поперечных мостиков миозина и нитей актина.

Таким образом, последовательность событий, ведущих к сокращению, а затем к расслаблению мышечного волокна, рисуется в настоящее время так:

15. Утомление при мышечной работе. Причины утомления. Понятие об активном отдыхе.

Утомлением называется временное понижение работоспособности клетки, органа или целого организма, наступающее в результате работы и исчезающее после отдыха.

Если длительно раздражать ритмическими электрическими стимулами изолированную мышцу, к которой подвешен небольшой груз, то амплитуда ее сокращений постепенно убывает, пока не сойдет до нуля. Регистрируется кривая утомления. Наряду с изменением амплитуды сокращений при утомлении нарастает латентный период сокращения, удлиняется период расслабления мышцы и увеличивается порог раздражения, т.е. понижается возбудимость. Все эти изменения возникают не сразу после начала работы, существует некоторый период, в течение которого наблюдается увеличение амплитуды сокращений и небольшое повышение возбудимости мышцы. При этом она становится легко растяжимой. В таких случаях говорят, что мышца "врабатывается", т.е. приспосабливается к работе в заданном ритме и силе раздражения. После периода врабатываемости наступает период устойчивой работоспособности. При дальнейшем длительном раздражении наступает утомление мышечных волокон.

Понижение работоспособности изолированной из организма мышцы при ее длительном раздражении обусловлено двумя основными причинами. Первой из них является то, что во время сокращений в мышце накапливаются продукты обмена веществ (фосфорная кислота, связывающая Са++, молочная кислота и др.), оказывающие угнетающее действие на работоспособность мышцы. Часть этих продуктов, а также ионы Са диффундируют из волокон наружу в околоклеточное пространство и оказывают угнетающее действие на способность возбудимой мембраны генерировать ПД. Так, если изолированную мышцу, помещенную в небольшой объем жидкости Рингера, довести до полного утомления, то достаточно только сменить омывающий ее раствор, чтобы восстановились сокращения мышцы.

Другой причиной развития утомления изолированной мышцы является постепенное истощение в ней энергетических запасов. При длительной работе резко уменьшается содержание в мышце гликогена, вследствие чего нарушаются процессы ресинтеза АТФ и КФ, необходимых для осуществления сокращения.

Следует оговорить, что в естественных условиях существования организма утомление двигательного аппарата при длительной работе развивается совершенно не так, как в эксперименте с изолированной мышцей. Обусловлено это не только тем, что в организме мышца непрерывно снабжается кровью, и, следовательно, получает с ней необходимые питательные вещества и освобождается от продуктов обмена. Главное отличие состоит в том, что в организме возбуждающие импульсы приходят к мышце с нерва. Нервно-мышечный синапс утомляется значительно раньше, чем мышечное волокно, в связи с быстрым истощением запасов наработанного медиатора. Это вызывает блокаду передачи возбуждений с нерва на мышцу, что предохраняет мышцу от истощения, вызываемого длительной работой. В целостном же организме еще раньше утомляются при работе нервные центры, (нервно-нервные контакты).

Роль нервной системы в утомлении целостного организма доказывается исследованиями утомления в гипнозе (гиря-корзина), установлением влияния на утомления "активного отдыха", роли симпатической нервной системы (феномен Орбели-Гинецинского) и др..

Для изучения мышечного утомления у человека пользуются эргографией. Форма кривой утомления и величина произведенной работы чрезвычайно вариирует у разных лиц и даже у одного и того же исследуемого при различных условиях.

16. Физиологические особенности гладких мышц. Пластический тонус гладких мышц.

Важным свойством гладкой мышцы является ее большаяпластичность , т.е. способность сохранять приданную растяжением длину без изменения напряжения. Скелетная мышца, наоборот, сразу укорачивается после снятия груза. Гладкая мышца остается растянутой до тех пор, пока под влиянием какого-либо раздражения не возникает ее активного сокращения. Свойство пластичности имеет большое значение для нормальной деятельности полых органов - благодаря ему давление внутри полого органа относительно мало изменяется при разной степени его наполнения.

Существуют различные типы гладких мышц. В стенках большинства полых органов находятся мышечные волокна длиной 50-200 мк и диаметром 4-8 мк, которые очень тесно примыкают друг к другу, и потому при рассмотрении их в микроскоп создается впечатление, что они морфологически составляют одно целое. Электронно-микроскопическое исследование показывает, однако, что они отделены друг от друга межклеточными щелями, ширина которых может быть равна 600-1500 ангстрем. Несмотря на это, гладкая мышца функционирует как одно целое. Это выражается в том, что ПД и медленные волны деполяризации беспрепятственно распространяются с одного волокна на другое.

В некоторых гладких мышцах, например, в ресничной мышце глаза, или мышцах радужной оболочки, волокна расположены раздельно, и каждое имеет свою иннервацию. У большинства же гладких мышц двигательные нервные волокна расположены только на небольшом числе волокон.

Потенциал покоя гладкомышечных волокон, обладающих автоматией, обнаруживает постоянные небольшие колебания. Величина его при внутриклеточном отведении равна 30-70 мв. Потенциал покоя гладкомышечных волокон, не обладающих автоматией, стабилен и равен 60-70 мв. В обоих случаях его величина меньше потенциала покоя скелетной мышцы. Это связано с тем, что мембрана гладкомышечных волокон в покое характеризуется относительно высокой проницаемостью для ионов Na. Потенциалы действия в гладких мышцах также несколько ниже, чем в скелетных. Превышение над потенциалом покоя - не больше 10-20 мв.

Ионный механизм возникновения ПД в гладких мышцах несколько отличается от имеющегося в скелетных. Установлено, что регенеративная деполяризация мембраны, лежащая в основе потенциала действия в ряде гладких мышц, связана с повышением проницаемости мембраны для ионов Са++, а не Na+.

Многим гладким мышцам свойственна спонтанная, автоматическая активность. Для нее характерно медленное снижение мембранного потенциала покоя, которое при достижении определенного уровня сопровождается возникновением ПД.

нервных и скелетных мышечных волокнах возбуждение распространяется посредством локальных электрических токов, возникающих между деполяризованным и соседними покоящимися участками клеточной мембраны. Этот же механизм свойственен и гладким мышцам. Однако, в отличие от того, что имеет место в скелетных мышцах, в гладких потенциал действия, возникающий в одном волокне, может распространяться на соседние волокна. Обусловлено это тем, что в мембране гладкомышечных клеток в области контактов с соседними имеются участки относительно малого сопротивления, через которые петли тока, возникшие в одном волокне, легко переходят на соседние, вызывая деполяризацию их мембран. В этом отношении гладкая мышца сходна с сердечной. Отличие заключается только в том, что в сердце от одной клетки возбуждается вся мышца, а в гладких мышцах ПД, возникший в одном участке, распространяется от него лишь на определенное расстояние, которое зависит от силы приложенного стимула.

Другая существенная особенность гладких мышц заключается в том, что распространяющийся ПД возникает в низ только в том случае, если приложенный стимул возбуждает одновременно некоторое минимальное число мышечных клеток. Эта "критическая зона" имеет диаметр около 100 мк, что соответствует 20-30 параллельно лежащим клеткам. Скорость проведения возбуждения в различных гладких мышцах составляет от 2 до 15 см/сек. т.е. значительно меньше, чем в скелетной мышце.

Так же, как и в скелетной мускулатуре, в гладкой потенциалы действия имеют пусковое значение для начала сократительного процесса. Связь между возбуждением и сокращением здесь также осуществляется с помощью Са++. Однако в гладкомышечных волокнах саркоплазматический ретикулюм плохо выражен, поэтому ведущую роль в механизме возникновения сокращения отводят тем ионам Са++, которые проникают внутрь мышечного волокна во время генерации ПД.

При большой силе одиночного раздражения может возникнуть сокращение гладкой мышцы. Латентный период сокращения ее значительно больше, чем скелетной, достигая 0,25-1 сек. Продолжительность самого сокращения тоже велика - до 1 минуты. Особенно медленно протекает расслабление после сокращения. Волна сокращения распространяется по гладкой мускулатуре с той же скоростью, что и волна возбуждения (2-15 см/сек). Но эта медленность сократительной активности сочетается с большой силой сокращения гладкой мышцы. Так, мускулатура желудка птиц способная поднимать 2 кг на 1 кв.мм. своего поперечного сечения.

Вследствие медленности сокращения гладкая мышца даже при редких ритмических раздражениях (10-12 в мин) легко переходит в длительное состояние стойкого сокращения, напоминающее тетанус скелетных мышц. Однако энергетические расходы при таком сокращении очень низки.

Способность к автоматии гладких мышц присуща их мышечным волокнам и регулируется нервными элементами, которые находятся в стенках гладко мышечных органов. Миогенная природа автоматии доказана опытами на полосках мышц кишечной стенки, освобожденных от нервных элементов. На все внешние воздействия гладкая мышца реагирует изменением частоты спонтанной ритмики, следствием чего являются сокращения или расслабления мышцы. Эффект раздражения гладкой мускулатуры кишки зависит от соотношения между частотой стимуляции и собственной частотой спонтанной ритмики: при низком тонусе - редких спонтанных ПД - приложенное раздражение усиливает тонус, при высоком тонусе в ответ на раздражение возникает расслабление, так как чрезмерное учащение импульсации приводит к тому, что каждый следующий импульс попадает в фазу рефрактерности от предыдущего.

17. Строение и функции нервных волокон. Механизм проведения возбуждения по

миелиновым и безмиелиновым нервным волокнам. Значение перехватов Ранвье.

Основной функцией аксонов является проведение импульсов, возникающих в нейроне. Аксоны могут быть покрыты миелиновой оболочкой (миелиновые волокна) или лишены ее (безмиелиновые волокна). Миелиновые волокна чаще встречаются в двигательных нервах, безмиелиновые преобладают в автономной (вегетативной) нервной системе.

Отдельное миелиновое нервное волокно состоит из осевого цилиндра, покрытого миелиновой оболочкой, образованной шванновскими клетками. Осевой цилиндр имеет мембрану и аксоплазму. Миелиновая оболочка является продуктом деятельности шванновской клетки и состоит на 80% из липидов, обладающих высоким омическим сопротивлением, и на 20% из белка.

Миелиновая оболочка не покрывает сплошным покровом осевой цилиндр, а прерывается, оставляя открытые участки осевого цилиндра, называемые узловыми перехватами (перехваты Ранвье). Длина участков между этими перехватами различна и зависит от толщины нервного волокна: чем оно толще, тем длиннее расстояние между перехватами (рис. 2.17).

Безмиелиновые нервные волокна покрыты только шванновской оболочкой.

Проведение возбуждения в безмиелиновых волокнах отличается от такового в миелиновых волокнах благодаря разному строению оболочек. В безмиелиновых волокнах возбуждение постепенно охватывает соседние участки мембраны осевого цилиндра и так распространяется до конца аксона. Скорость распространения возбуждения по волокну определяется его диаметром.

В нервных безмиелиновых волокнах, где процессы метаболизма не обеспечивают быструю компенсацию расхода энергии на возбуждение, распространение этого возбуждения идет с постепенным ослаблением — с декрементом. Декрементное проведение возбуждения характерно для низкоорганизованной нервной системы.

У высших животных благодаря прежде всего наличию миелиновой оболочки и совершенства метаболизма в нервном волокне возбуждение проходит, не затухая, бездекрементно. Этому способствуют наличие на всем протяжении мембраны волокна равного заряда и быстрое его восстановление после прохождения возбуждения.

В миелиновых волокнах возбуждение охватывает только участки узловых перехватов, т. е. минует зоны, покрытые миелином. Такое проведение возбуждения по волокну называется сальтаторным (скачкообразным). В узловых перехватах количество натриевых каналов достигает 12 000 на 1 мкм, что значительно больше, чем в любом другом участке волокна. В результате узловые перехваты являются наиболее возбудимыми и обеспечивают большую скорость проведения возбуждения. Время проведения возбуждения по миелиновому волокну обратно пропорционально длине между перехватами.

Проведение возбуждения по нервному волокну не нарушается в течение длительного (многочасового) времени. Это свидетельствует о малой утомляемости нервного волокна. Считают, что нервное волокно относительно неутомляемо вследствие того, что процессы ресинтеза энергии в нем идут с достаточно большой скоростью и успевают восстановить траты энергии, происходящие при прохождении возбуждения.

В момент возбуждения энергия нервного волокна тратится на работу натрий-калиевого насоса. Особенно большие траты энергии происходят в перехватах Ранвье вследствие большой плотности здесь натрий-калиевых каналов.

Дж. Эрлангер и X. Гассер (1937) впервые классифицировали нервные волокна пс скорости проведения возбуждения. Различная скорость проведения возбуждения по волокнам смешанного нерва вы является при использовании внеклеточного электрода. Потенциалы волокон, проводящих возбуждение с неодинаковой скоростью, регистрируются раздельно (рис. 2.18).

В зависимости от скорости проведения возбуждения нервные волокна делят на три типа: А, В, С. В свою очередь волокна типа А подразделяют на четыре группы: А α , A β , A γ , A δ . Наибольшей скоростью проведения (до 120 м/с) обладают волокна группы А α , которую составляют волокна диаметром 12—22 мкм. Другие волокна имеют меньший диаметр и соответственно проведение возбуждения по ним происходит с меньшей скоростью (табл. 2.4).

Нервный ствол образован большим числом волокон, однако возбуждение, идущее по каждому из них, не передается на соседние. Эта особенность проведения возбуждения по нерву носит название закона изолированного проведения возбуждения по отдельному нервному волокну. Возможность такого проведения имеет большое физиологическое значение, так как обеспечивает, например, изолированность сокращения каждой нейромоторной единицы.

Способность нервного волокна к изолированному проведению возбуждения обусловлена наличием оболочек, а также тем, что сопротивление жидкости, заполняющей межволоконные простран-ства, значительно ниже, чем сопротивления мембраны волокна. Поэтому ток, выйдя из возбужденного волокна, шунтируется в жидкости и оказывается слабым для возбуждения соседних волокон. Необходимым условием проведения возбуждения в нерве является не просто его анатомическая непрерывность, но и физиологическая целостность. В любом металлическом проводнике электрический ток будет течь до тех пор, пока проводник сохраняет физическую не-прерывность. Для нервного «проводника» этого условия недостаточ-но: нервное волокно должно сохранять также физиологическую целостность. Если нарушить свойства мембраны волокна (перевязка, блокада новокаином, аммиаком и др.), проведение возбуждения по волокну прекращается. Другим свойством, характерным для прове-дения возбуждения по нервному волокну, является способность к двустороннему проведению. Нанесение раздражения между двумя отводящими электродами на поверхности волокна вызовет электри-ческие потенциалы под каждым из них.

Таблица- Скорость проведения возбуждения по нервным волокнам

Группа волокон	Диаметр волокна, мкм	Скорость проведения, м/с

18. Законы проведения возбуждения по нервам. Классификация нервных волокон. Скорость проведения возбуждения по нервным волокнам, ее возрастные особенности.

19. Структура нервно-мышечного синапса. Механизм передачи возбуждения с нерва на мышцу. Потенциал концевой пластинки, его свойства.

Синапсами называются контакты, которые устанавливают нейроны как самостоятельные образования. Синапс представляет собой сложную структуру и состоит из пресинаптической части (окончание аксона, передающее сигнал), синаптической щели и постсинаптической части (структура воспринимающей клетки).

Нервно-мышечные синапсы обеспечивают проведение возбуждения с нервного волокна на мышечное благодаря медиатору ацетилхолину, который при возбуждении нервного окончания переходит в синаптическую щель и действует на концевую пластинку мышечного волокна.

В пресинаптической терминали образуется и скапливается в виде пузырьков ацетилхолин. При возбуждении электрическим импульсом, идущим по аксону, пресинаптической части синапса ее мембрана становится проницаемой для ацетилхолина.

Эта проницаемость возможна благодаря тому, что в результате деполяризации пресинаптической мембраны открываются ее кальциевые каналы. Ион Са2+ входит в пресинаптическую часть синапса из синаптической щели. Ацетилхолин высвобождается и проникает в синаптическую щель. Здесь он взаимодействует со своими рецепторами постсинаптической мембраны, принадлежащей мышечному волокну. Рецепторы, возбуждаясь, открывают белковый канал, встроенный в липидный слой мембраны. Через открытый канал внутрь мышечной клетки проникают ионы Na+, что приводит к деполяризации мембраны мышечной клетки, в результате развивается так называемый потенциал концевой пластинки (ПКП). Поскольку этот потенциал в норме всегда сверхпороговый, он вызывает потенциал действия, распространяющийся по мышечному волокну и вызывающий сокращение. Потенциал концевой пластинки короткий, так как ацетилхолин, во-первых, быстро отсоединяется от рецепторов, во-вторых - гидролизуется АХЭ.

Нервно-мышечный синапс передает возбуждение в одном направлении: от нервного окончания к постсинаптической мембране мышечного волокна, что обусловлено наличием химического звена в механизме нервно-мышечной передачи.

Скорость проведения возбуждения через синапс намного меньше, чем по нервному волокну, так как здесь тратится время на активацию пресинаптической мембраны, переход через нее кальция, выделение ацетилхолина в синаптическую щель, деполяризацию постсинаптической мембраны, развитие ПКП.