2 курс / Нормальная физиология / ВИРТУАЛЬНЫЙ_ПРАКТИКУМ_ПО_НОРМАЛЬНОЙ_ФИЗИОЛОГИИ
.pdfФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НОРМАЛЬНОЙ ФИЗИОЛОГИИ
Методические рекомендации по проведению виртуального физиологического эксперимента
в среде PhysioEx 6.0: Laboratory Experiments in Physiology
2-е издание, переработанное и дополненное
Томск Издательство СибГМУ
2022
УДК 612(075.8)(076.5)
ББК 28.707.3я73 П 526
Перевод и адаптация
В.Б. Студницкий, Т.Г. Легоминова, А.В. Кольцов
|
Виртуальный практикум по нормальной физиологии: Ме- |
|
|
тодические рекомендации по проведению виртуального фи- |
|
П 526 |
зиологического эксперимента в среде PhysioEx 6.0: Laboratory |
|
Experiments in Physiology / В.Б. Студницкий, Т.Г. Легоминова, |
||
|
||
|
А.В. Кольцов; пер. с англ. и адаптация для студентов |
|
|
СибГМУ. – 2-е изд. перераб. и доп. – Томск: Изд-во |
|
|
СибГМУ, 2022. – 200 с. |
В пособии приведены работы виртуального физиологического прак-
тикума на основе программы PhysioEx 6.0: Laboratory Experiments in Physiology по основным разделам физиологии.
Данное пособие позволяет освоить методы исследования физиологических функций и овладеть навыками виртуального эксперимента.
Адаптированный вариант учебно-методического пособия подготовлен для студентов, обучающихся по основным профессиональным программам высшего образования – программам специалитета по специальностям: Лечебное дело, Педиатрия, Фармация, Стоматология, Медицинская биохимия, Медицинская кибернетика, Медицинская биофизика.
Издание предназначено для студентов врачебных и биологических специальностей высших учебных заведений и освоении соответствующих компетенций по нормальной физиологии.
Предыдущее издание вышло в 2016 г.
УДК 612(075.8)(076.5) ББК 28.707.3я73
Рецензент:
И.В. Ковалев – д-р мед. наук, профессор кафедры биофизики и функциональной диагностики ФГБОУ ВО «Сибирский государственный медицинский университет» Минздрава России.
Утверждено и рекомендовано к печати учебно-методической комиссией медико-биологического факультета ФГБОУ ВО СибГМУ Минздрава России (протокол № 1 от 11.01.2021).
© Макет Издательства СибГМУ © В.Б. Студницкий, Т.Г. Легоминова, А.В. Кольцов
2
|
Содержание |
|
Предисловие...................................................................................................................... |
4 |
|
ТЕМА 1. Транспорт веществ через плазматическую мембрану...... |
5 |
|
ТЕМА 2. Физиология скелетных мышц........................................................ |
20 |
|
ТЕМА 3. Физиология нервных волокон. ...................................................... |
39 |
|
ТЕМА 4. Физиология крови.................................................................................. |
50 |
|
ТЕМА 5. Физиология эндокринной системы. ........................................... |
74 |
|
ТЕМА 6. |
Физиология сердца.............................................................................. |
101 |
ТЕМА 7. |
Физиология сердечно-сосудистой системы. ....................... |
114 |
ТЕМА 8. |
Физиология дыхания. ........................................................................ |
132 |
ТЕМА 9. |
Физиология пищеварения ............................................................... |
147 |
ТЕМА 10. Физиология почечной системы. ............................................... |
167 |
|
ТЕМА 11. Физиология кислотно-щелочного баланса крови. ........ |
179 |
|
Рекомендуемая литература.................................................................................. |
198 |
|
3
Предисловие
Цель пособия – помочь студентам освоить методы и приёмы исследования физиологических функций на клеточном, органном и организменном уровнях, овладеть навыками проведения виртуального эксперимента, интерпретации и обработки полученных результатов.
Практикум предлагает провести серию виртуальных физиологических экспериментов для студентов врачебных и медикобиологического факультетов СибГМУ на основе программы PhysioEx
6.0 for human physiology разработанной сотрудниками Laboratory Experiments In Physiology. Данная программа адаптирована для русскоязычных студентов и предлагает, кроме проведения серии виртуальных экспериментов по основным разделам физиологии, также составление протоколов опытов, ответов на поставленные вопросы, исходя из полученных результатов и выводов.
Настоящие пособие является приложением к «Практикуму по физиологии» (Практикум по физиологии для студентов врачебных факультетов: учебное пособие / под ред. М.А. Медведева. – 3-е изд., испр. и доп. – Томск: Изд-во СибГМУ, 2017 г. – 350 с.), изданному сотрудниками кафедры «Нормальной физиологии» СибГМУ, и позволяет глубже усвоить теоретический материал соответствующего раздела физиологии, который преподается в теоретическом курсе. Каждому разделу практикума и отдельным работам предшествуют теоретические введения по конкретным, рассматриваемым в эксперименте проблемам, что облегчает подготовку к выполнению задач, а также позволяет понять специфику соответствующего виртуального экспериментального исследования. Тем не менее, выполнение работ виртуального практикума рекомендуется проводить после теоретического разбора изучаемого материала, как самостоятельно, так и с преподавателем.
Надеемся, что данный практикум будет полезен студентам в освоении мануальных и вербальных компетенций по нормальной физиологии, и примем все замечания и предложения, которые поступят от заинтересованных лиц.
Зав. кафедрой нормальной физиологии, академик РАН, профессор М.А. Медведев
4
ТЕМА 1. Транспорт веществ через плазматическую мембрану
Цель:
1.Понять функцию селективной проницаемости плазматической мембраны.
2.Уметь описывать различные механизмы, посредством которых молекулы вещества могут пассивно пересекать плазматическую мембрану.
3.Уметь описывать различные механизмы, посредством которых молекулы вещества могут активно транспортироваться через плазматическую мембрану.
4.Понять и уметь объяснить различия между работой мембранных транспортеров с расходом энергии клеток и без нее.
5.Дать определение пассивному и активному транспорту, простой и облегченной диффузии, осмосу и транспорту веществ между гипотоническими, изотоническими и гипертоническими растворами.
Основные обозначения:
Анализ мембранного остатка – Membrane Residue Analysis Время – Time
Выход – Exit Давление – Pressure
Деионизированная вода – Deionizer Water Диализная мембрана – Dialysis Membrane
Древесный уголь – Powdered Charcoal
Зарегистрировать результат – Record date Инструменты – Tools
Молекулярно-весовой показатель вещества – Molecular Weigh Cut Off (MWCO)
Начало анализа – Start analysis Промывка – Flush
Помощь – Help
Построить мембрану – Build Membrane Прошедшее время – Elapsed Time Распечатать результат – Print Data Распределение – Dispense
5
https://t.me/medicina_free
Симуляция простой диффузии – Simulating Simple Diffusion
Старт – Start
Уничтожить ряд – Delete Run
Теоретическая часть
Каждая клетка нашего организма окружена плазматической мембраной (ПМ), которая отделяет ее от интерстициальной жидкости. Одной из основных функций ПМ является селективная проницаемость при обмене молекул между клеткой и окружающей жидкостью для того, чтобы клетка могла отобрать субстанции, необходимые ей, и избавиться от ненужных веществ. Эти субстанции включают в себя газы (О2 и СО2), ионы и более крупные молекулы, такие как глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, витамины.
Молекулы вещества транспортируются через ПМ пассивно или активно. При активном транспорте вещества через ПМ расходуется энергия клеточного метаболизма – АТФ, а при пассивном транспорте молекулы проходят через ПМ без расхода ка- кой-либо клеточной энергии. Примером пассивного транспорта являются простая диффузия, осмос и облегченная диффузия.
Простая диффузия – это спонтанное движение молекул через липидный бислой ПМ из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией вещества. Осмос – это диффузия Н2О через плазматическую мембрану. Облегченная диффузия – это движение молекул через селективно проницаемую мембрану с помощью специализированных транспортных белков ПМ.
На этом занятии мы будем моделировать каждый, из этих клеточных транспортных механизмов, используя модели виртуального практикума.
Практическая часть
Работа № 1. Изучение механизмов простой диффузии
В работе имитируются процессы простой диффузии через плазматическую мембрану.
Для выполнения работы открываем в главном меню работу «Симуляция простой диффузии» (рис. 1). Обращаем внимание на
6
https://t.me/medicina_free
два стеклянных сосуда в верхней части экрана, которые мы будем заполнять жидкостью с различными веществами. Примем условно, что правый сосуд представляет собой внутреннее содержимое клеток, а левый сосуд – внеклеточную жидкость. Между этими сосудами находится мембранный держатель, в который мы будем помещать одну из 4-х «диализных мембран», находящихся с правой стороны экрана. Каждая из этих мембран обладает селективной проницаемостью к определенному «молекулярновесовому показателю вещества». Вещества с молекулярным весом меньше указанного значения (20; 50; 100; 200) будут проходить через мембрану, а молекулы с большим весом – нет. Чтобы переместить мембрану в держатель, необходимо сделать фиксированный щелчок левой кнопкой мышки на мембране и перенести ее к мембранному держателю между двумя сосудами.
Рис. 1. Экран работы «Симуляция простой диффузии»
Ниже каждого из сосудов с левой и правой стороны экрана, находятся панели содержания веществ в растворах, с помощью которых мы можем поместить необходимое количество милли-
7
https://t.me/medicina_free
молей (mM) различных растворенных веществ (Na+/Cl-, мочевина, альбумин и глюкоза) в каждый из сосудов – посредством щелчка на (+) или (-) кнопках, ниже каждого из названий растворенного вещества. Также, мы можем залить «Деионизированную воду» в любой из сосудов, нажимая на кнопку мышки. Пользуясь кнопками «Распределение» под каждым сосудом, мы будем заполнять их жидкостью. Активируя кнопки «Промывка», мы будем опорожнять сосуды.
На самой нижней панели экрана находится таблица регистрации полученных измерений каждого эксперимента, которые можно занести, используя кнопку «Зарегистрировать результат». Если вы хотите убрать результаты какого-либо эксперимента, необходимо выделить нужную строку показателей, а затем нажать кнопку «Уничтожить ряд».
Ход работы:
1.Используя «мышку», выбрать щелчком кнопки диализную мембрану с MWCO = 20 и поместить ее в мембранный держатель.
2.Установить концентрацию (mM) Na+/Cl- для левого сосуда на 9 mM, нажимая кнопку (+). Затем нажать кнопку «Распределение» под левым сосудом, заполняя его.
3.Нажать кнопку «Деионизированная вода» под правым сосудом и «Распределение» под ним заполняя его.
4.Нажимая кнопку (+) около экрана «Время» (min), можно установить время от 60 с до 60 мин.
5.Нажать кнопку «Старт» и запустить процесс на экспериментальный период времени. Обратите внимание, что мембранный контейнер опускается при этом в поддерживающие устройство. Кроме этого, кнопка «Старт» теперь является и кнопкой «Пауза», которую можно использовать для остановки эксперимента.
6.Когда экран «Прошедшее время» покажет 60, концентрационные значения читаются для каждого сосуда на соответствующей стороне экрана.
7.Как только «Прошедшее время» достигнет 60, вы будете, извещены строкой экрана, показывающей, что равновесие достигнуто.
8
https://t.me/medicina_free
8.Нажмите кнопку «Зарегистрировать результат» для получения данных этого эксперимента.
9.Нажмите кнопку «Промывка» слева и справа, чтобы опорожнить сосуды.
10.Верните диализную мембрану в ее исходное положение, перемещая ее в мембранную камеру.
11.Повторите этапы 1–10 для других диализных мембран. Регистрируйте результаты каждого эксперимента, после чего промывайте сосуды и возвращайте в камеру диализную мембрану.
Рис. 2. Периодическая таблица элементов
Обратитесь к периодической таблице элементов (рис. 2) и ответьте на вопросы:
Каков молекулярный вес Na+ ? _____________________________
Каков молекулярный вес Cl- ? ______________________________
Какой MWCO диализной мембраны позволяет этим ионам про-
ходить через нее? ________________________________________
12. Повторите этот эксперимент, используя оставшиеся растворенные вещества (мочевина, альбумин и глюкоза) в левом сосуде и деионизированную воду – в правом сосуде. Регистрируйте результаты, пользуясь кнопкой «Зарегистрировать результат».
9
https://t.me/medicina_free
Промывайте сосуды и заменяйте диализную мембрану после каждого эксперимента.
13. Зарегистрируйте полученные результаты у себя в отчетах, заполнив таблицу 1.
Таблица 1
Результаты работы «Изучение механизмов простой диффузии»
Растворённое |
|
Мембрана (MWCO) |
|
|
вещество |
20 |
50 |
100 |
200 |
NaCl |
|
|
|
|
Мочевина |
|
|
|
|
Альбумин |
|
|
|
|
Глюкоза |
|
|
|
|
14. На основании полученных результатов ответьте на поставленные вопросы и сделайте соответствующие выводы в своих отчетах.
Какие вещества диффундируют из левого сосуда в правый? ____
Какие вещества не делают это? ___________________________
Почему?_________________________________________________
Работа № 2. Моделирование диализа
Механизмы диализа используются у пациентов, имеющих нарушение функции почек. Мочевина, как продукт разрушения аминокислот, должна удаляться из крови пациентов, так как она является токсичной для организма и может приводить к летальному исходу. Механизмы диализа применяют для очищения крови, при пропускании ее через селективно проницаемую мембрану искусственной почки с целью удаления мочевины из крови. С одной стороны мембраны нашей модели находится кровь пациента, а с другой стороны – жидкости с заданными концентрациями веществ, таких как Na+, K+, Ca2+, HCO3-, которые необходимы для организма.
Ход работы:
1.Поместить диализную мембрану 200 MWCO в мембранный держатель.
2.Заполнить левый сосуд 10 mM каждого из четырех растворенных веществ и нажать кнопку «Распределение». Этот сосуд будет представлять собой диализируемую кровь пациента.
10
https://t.me/medicina_free