2 курс / Нормальная физиология / Физиология_с_основами_анатомии_человека_Малоштан_Л_Н_ред_,_Рядных

МИНИСТЕРСТВООХРАНЫЗДОРОВЬЯУКРАИНЫ НАЦИОНАЛЬНАЯФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯАКАДЕМИЯУКРАИНЫ

К 200 летию НФАУ

ФИЗИОЛОГИЯ С ОСНОВАМИ АНАТОМИИ ЧЕЛОВЕКА

Учебник длястудентов высшихучебных заведений

Подредакцией профессора Л.Н. Малоштан

Харьков ИздательствоНФАУ «Золотые страницы» 2002

1

УДК 612:611(075.8) ББК 28.7я73

Ф48

РекомендованоМинистерствомобразованияинаукиУкраины

(письмо № 14/18.2–1622 от 08.11.2001).

Авторы: Л.Н. Малоштан, Е.К. Рядных, Г.П. Жегунова, И.Г. Петренко,А.Г. Сытник.

Рецензенты: В.М. Мороз, доктормедицинскихнаук,профессорВинE ницкогогосударственногомедицинскогоуниверситетаим.Н.И.Пирогова; Н.В. Братусь,доктормедицинскихнаук,профессорВинницкогогоE

сударственногомедицинскогоуниверситетаим.Н.И. Пирогова.

Физиология с основами анатомии человека: Учеб. для студенE Ф48 тов высш. учеб. заведений / Л.Н. Малоштан, Е.К. Рядных, Г.П. Жегуноваидр.;Подред. Л.Н. Малоштан.—Х.:ИздEвоНФАУ:

Золотые страницы, 2002. — 454 с.

ISBN 966E615E113E8

ISBN 966E8032E17E9

В учебнике изложены основные вопросы физиологии с основами гистологии, циE тологии и анатомии согласно программе для фармацевтических вузов. Рассмотрены механизмы регуляции физиологических процессов организма человека.

Для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов.

УДК 612:611(075.8) ББК 28.7я73

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый учебник написан в соответствии с программой по биологии, физиологии с основами анатомии для студентов фармацевE тических высших учебных заведений и факультетов.

Находясь в тесной связи с патофизиологией, фармакологией, биоE химией, клинической фармацией, физиология и анатомия имеют неE посредственноеотношениекразличнымобластяммедициныифармаE ции. Физиология как одна из важных фундаментальных дисциплин, которые изучаются в высших фармацевтических учебных заведениях, дает знания не только связанные с функционированием отдельных орE ганов и систем, но и анализирует системные закономерности целого организма.

Учитывая назначение учебника для студентов высших учебных заE ведений, в нем представлены различные уровни организации, начиная склеточногоизаканчиваявзаимосвязьюфункциональныхсистеморгаE низма. Это важно для профессиональной деятельности фармацевта и клинического провизора.

Учебник состоит из 17 глав, иллюстрированных таблицами, схемаE ми, рисунками, частично заимствованными из других источников.

Основой написания учебника «Физиология с основами анатомии человека» послужили серияметодическихразработок повсемразделам дисциплины, руководство к практическим занятиям, а также конспект лекций по физиологии и анатомии.

Учебник отображает результат многолетней работы авторов — соE трудниковкафедрыфизиологииНациональнойфармацевтическойакаE демииУкраины.

Авторы учебника будут весьма признательны за критические замеE чания и пожелания, направленные на его улучшение.

3

Глава 1. КЛЕТКА

1.1. Основы клеточной теории

Открытие клеточного строения организма непосредственно связаE носизобретениеммикроскопа.РобертГук,впервыеувидевшийклетку

в1665 г. в самодельный микроскоп, заметил пустые ячейки, наподобие пчелиных сот. По сути дела, клеток он не видел, а мог заметить только их оболочки. Так началась история клеточного учения. Роберт Гук осE тавил нам название «клетка» (от греч. «китос» — полость). Позднее Грю и Мальпиги повторили наблюдение Гука на разных растениях и обнаE ружили в них крошечные полости сред гомогенной массы, которые наE звали «пузырьками». Хотя клеточную теорию строения животных и растительных организмов связывают с именем Шлейдена (1838) и Шванна (1839), однако она была предложена еще раньше целым ряE домисследователей.Так,Мирабель(1808–1809)пришелкзаключению, что растения образуются из перепончатой клеточной ткани. Ламарк

в1809г.утверждал,что«ниоднотелонеможетсодержатьжизнь,еслисоE ставныеегочастинепредставляютсобойклеточнуюткань».Аналогичные мысли высказывали Дютроше (1824), Тюрпен (1826), Мейен (1830), фонМоль(1831),вкоторыхчеткосформулированаклеточнаятеория.

Несмотря на данные этих ученых, авторы многих учебников биоE логии считают Шлейдена, профессора ботаники в Йене, основателем клеточной теории. Данные Шлейдена о строении клеток у растений былиподтвержденыШванномнаживотных.ОнпровелтщательноеисE следование тканей животных и развития клеток и впервые применил термин «клеточная теория», утверждая, что «клетки представляют соE бой организмы, а животные, как и растения, — это сумма этих оргаE низмов, расположенных согласно определенным законам». Данные Шваннапослужилипрочнымобоснованиемклеточнойтеории.Шванн высказал вполне определенные взгляды не только относительно морE фологического,нотакжеифизиологическогозначенияклеток.СогласE ноШванну,клеточныеявленияможноразделитьна2группы:«пластиE ческие явления», т. е. сочетание молекул, образующих клетку, что на современном языке соответствует клеточной морфологии, и физиолоE гические явления, которые являются следствием «химических изменеE ний, либо в частицах, составляющих клетку как таковую, либо в окруE жающей цитоплазме». Этипроцессыонопределилкакметаболические явления. Таким образом, Шванн сформулировал наши современные представления.Поэтойпричинеегоможносчитатьотцомсовременной цитологии.

4

Клеточная теория быстро распространилась и на одноклеточные организмы:простейшихсталирассматриватькакживотных,состоящих изоднойклетки(фонЗибольд,1845),аГеккельразделилживотныймир на две важные группы — protozoa и metazoa. Альберт Кельликкер, знаE менитый швейцарский анатом, применил данные клеточной теории

кэмбриологии. Вирхов распространил эту теорию на патологию.

Вначале XIX века исследователи сосредоточили свое внимание на содержимом клетки, которое разные авторы описывали как «студнеE видный» или слизистый, клейкий сок. В клеточном соке растений РоE берт Броун в 1831 г. открыл ядро, которое является одним из важнейE ших и постоянных компонентов клетки. Марк Шульце в 1861 г. приE шел к выводу о существенном сходстве между протоплазмой животных и растительных клеток, сформулировав тем самым теорию, которую О. Гертвиг позднее, в 1892 г., назвал теорией протоплазмы. Согласно этой теории, более широкой по своей концепции, чем клеточная теоE рия, клетка является скоплением живого вещества, или протоплазмы, четко ограниченным в пространстве и содержащим ядро и клеточную оболочку. Таким образом, первоначальная концепция клетки измениE лась. С появлением этих основных теорий началось быстрое развитие гистологическихисследований.ТакбылиоткрытыявленияпрямогодеE ления клетки — амитоза (Ремак, 1841) и непрямого деления (Шнейдер, Страсбургер). Последняя форма клеточного деления носит также наE звание кариокинеза (Шлейхер, 1879), или митоза (Флемминг). Было установлено, что основным в митозе является образование ядерных нитей или хромосом (Вальдейер, 1890). В цитоплазме были открыты: клеточныйцентр(Ван Бенеден,Бовери),ретикулярныйаппарат(ГольдE жи). Одновременно с исследованием ткани внимание все больше соE средоточивалось на клетке как основной структурной единице живых организмов.В1892г.О. Гертвигопубликовалсвоюмонографию«КлетE ка и ткани», в которой он обобщил биологические явления, исходя из характерных особенностей клетки, ее строения и функции. Автор поE казал в этой книге, что решение различных проблем биологии можно найти в процессах, происходящих в клетках, и таким образом была осE нована цитология как современный раздел науки.

Единица живого — клетка. Она содержит все необходимое для соE храненияжизнииобеспеченияеенепрерывности.ЕсликлеткаповрежE дена и повреждение не может быть исправлено, то через короткий срок вся ее активность угасает и происходит распад ее компонентов. Клетки сильно различаются своими размерами, формой и характером активE ности. Рассмотрим только тот минимум составных частей, без которых

5

ни одна клетка не может существовать. Такая «минимальная» клетка должна включать:

1 —системумембран,которыеокружаютклетку,разделяютеевнутE ри на отсеки, управляют химическими процессами и несут на себе ряд важных катализаторов;

2 — «аппарат» для получения точных копий клетки путем копироE вания ее основных структур;

3 — «аппарат», обеспечивающий различные клеточные функции энергией, получаемой в результате окислительных процессов.

Хотя тип оснащения, необходимого для любой клетки, указать легE ко, совсем не так просто определить, что же это за оснащение и как оно располагаетсявнутриклетки.Вмногоклеточныхорганизмахсуществует различие функций, основанное на дифференциации структур. Так,

вдифференцированных клетках высших организмов наблюдается разE личие в количестве клеточных органелл (иногда и различия в их тонкой структуре,атакжевразличномихраспределениивнутриклетки).КлетE ки могут быть специализированными: им могут быть присущи, наприE мер,сократимость,светочувствительностьилисекреторнаяактивность. Некоторые клетки могут отличаться по присутствию в них специалиE зированных молекул — инструментов для выполнения определенных функций; гемоглобин в эритроцитах служит для переноса кислорода, родопсин в клетках сетчатки — для восприятия света, актин и миозин

вклетках мышц — для сокращения. В специализированных клетках плазматическая мембрана обладает теми или иными специфическими особенностями. Так, например, она может нести функции, связанные спищеварениемивсасыванием(микроворсинкикишечногоэпителия), с передачей нервных импульсов (нервные клетки) или секрецией, изE бирательнымпоглощением(клетки,выстилающиепроксимальныекаE нальцы почки).

Для поддержания основных функций клетки в процессе эволюции возниклиопределенныеструктуры,названныеклеточнымиорганеллаE ми. Они обеспечивают координированное и регулируемое протекание основных процессов, необходимых для постоянного проявления жизE ненных функций. Для существования живого организма важны следуE ющиеорганеллы:ядро,митохондрии,эндоплазматическийретикулум, рибосомы,комплексГольджи,лизосомы,микротельца.РазмерыифорE мы органоидов (органелл) сильно варьируют в зависимости от типа клетки. Так, митохондрии клеток печени имеют форму мяча, в клетках почек — цилиндрическую форму, а в фибробластах — нитевидную. В зависимости от метаболического состояния клетки форма и объем

6

митохондриймогутпретерпеватьбыстрыеизменения.МитохондриичасE то располагаются в клетке в непосредственной близости от структур, потребляющихэнергию.Вактивноработающихмышечныхклеткахони располагаютсяправильнымирядамивдольмиофибрилл;вэпителиальE ныхклетках,выполняющихсекреторнуюфункцию,оничастосогласуE ютсяснаправлениемдвижениясекрета,дляобразованиякотороготреE буется энергия. Нередко они располагаются вдоль находящихся в циE топлазме жировых капель, используемых в процессах окисления

вкачестве источника жирнокислотного топлива. В клетках печени миE тохондрии способны свободно перемещаться в цитоплазме, тогда как

вмышечной клетке их расположение фиксировано.

1.2. Жизненный цикл клетки

С функциональной точки зрения не может быть живых организмов или даже клеток и их органелл с неограниченным временем их сущеE ствования. Начиная с процесса деления все клетки проходят так назыE ваемый «жизненный цикл», в конце которого происходит либо делеE ниеспоявлениемновойклетки,либонаступаетсмерть.ПродолжительE ность этого цикла видоспецифична и колеблется от нескольких часов до десятка лет. В течение жизненного цикла клетки проходят опредеE ленные фазы, продолжающиеся различное время. Это время зависит от типа клетки и характеризуется строго специфичными метаболичесE кими процессами. Эти фазы обозначаются как G1, S, G2 — интерфаза, митоз (рис. 1).

Отдельные стадии жизненного цикла клетки определяются исходя из количества содержащегося в ее ядре ДНК. На протяжении пресинE тетического(G1)периодапроE

исходит транскрипция ДНК, обеспечивающая белковый

и поступление в ядро белков гистонов, необходимых для

7

Различные гистоны претерпевают в интерфазе изменения: по мере прохождения клетками отдельных фаз цикла происходит фосфорилиE рование гистонов. Эти процессы обусловливают изменение свойств ДНК по ходу митотического цикла (доступности ДНК для атаки ферE ментовEДНКEаз).

Регуляция клеточного цикла

1.Были найдены активные факторы МРF — (факторы созревания, стимулирующие вступление в митоз). Активность этого фактора в теE чение цикла варьирует — пропадает в интерфазе и проявляется в митоE зе под действием белкового цитоплазматического фактора.

2.Обнаружены гены, отвечающие за происхождение клеточного циклаEсdc («cell division cycle» — цикл клеточного деления).

Впериоде G2 —дальнейшийростклетки,связанныйссинтезомбелE ков, необходимых для осуществления митоза. Клетки, которые не деE

лятся дальше, например, мышечные и глиальные, постоянно находятE

ся в фазе G1, другие же клетки продолжают делиться в процессе всей жизни, например, клетки кишечного эпителия.

Даже в органах клетки обычно не находятся в тесном контакте. Это происходит вследствие отрицательных зарядов, локализованных на поверхностиклетки,которыевзаимноотталкиваются.ВрезультатемежE ду клеткамиобразуются узкие пространства, сумма которыхсоставляет межклеточное пространство. Сумма внутренних компонентов — внутE реннее пространство.

Мембранные структуры клетки представлены поверхностной мемE браной (плазматическая мембрана) и внутриклеточными мембранныE ми структурами.

Так называемая клеточная стенка присутствует у бактериальных

ирастительных клеток (толстая оболочка из нескольких слоев). КлеE точной стенки нет у эукариотических клеток.

1.3.Строение плазматической мембраны

СогласносовременнымисследованияммембранаимеетжидкостноE мозаичную структуру (С. Сингер и Дж. Никольсон, 1972) (рис. 2).

ВосновемембраннойматрицылежитдвухслойнаялипиднаяструкE тура. Большую долю мембранных липидов составляют фосфолипиды, которыеспособныобразовыватьбислой,состоящийизвнутреннейгидE рофобной области (алифатическая часть жирных кислот или стероидE ного скелета холестерина) и гидрофильных поверхностей (глицерин, остаток фосфорной кислоты, аминоспирта, ОНEжирной кислоты). Поэтомучерезмембранымогутпроникатьжирорастворимыевещества,

8

аводорастворимыевеществаигидрофильныеионыневсостояниипреE одолеть гидрофобную область; они попадают внутрь клетки по специE альным каналам проницаемости белковой природы. Основную часть липидов, содержащихся в биомембранах, представляют собой полярE ные липиды (глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды, глицероE гликолипиды, сфингогликолипиды). Отдельные фрагменты молекул фосфолипидов совершают тепловое движение, которое играет важную роль: 1) во взаимодействии липидов с белками; 2) в процессах трансE порта веществ через мембрану; 3) в проницаемости.

3

4

1

2

Рис. 2. Обобщенная модель типичной плазматической мембраны:

1 — липиды; 2 — интегральные белки; 3 — периферические белки; 4 — гликопротеиды

Повышению «текучести» мембраны способствует наличие в молеE куле липидов короткоцепочечных жирных кислот и разветвленных цеE пей.Чемвышестепеньихненасыщенности,темсильнеевыраженастеE пеньразжиженностимембраны.ФерментативнаяактивностьипассивE ный транспорт тесно связаны с текучестью мембранных липидов.

Белки,восновном,представленныегликопротеидами,разделилина двавида:периферическиеиинтегральные.Периферическиебелкилегко экстрагируютсяизплазматическоймембраныводными,несодержащиE ми поверхностно активные вещества (ПАВ) растворителями. ИнтегE ральные — тесно связаны с мембраной и легко могут быть выделены с помощью ПАВ, которые разрушают липидный бислой.

Подобно полярным липидам периферические белки также имеют однуполярнуюобластьиоднунеполярную(домен).Вполярнойобласти белковойглобулы,находящейсявконтактесводой,собраныионизироE ванные остатки аминокислот и все ковалентно связанные углеводные остатки.ВнеполярнойобластиотсутствуютионизированныеиуглеводE ные остатки. Эта область белковой глобулы погружена в гидрофобную внутреннюю часть мембраны. Интегральные белки, пронизывающие мембрану,закрепленытакимобразом,чтоихполярныеучасткиобращеE

9

нывнутрьинаружу,аобластьгидрофобногоцентрарасполагаетсямежE ду ними. Интегральные мембранные белки при физиологической темE пературедиффундируютзасчетобычноготепловогодвижениявдольслоя. НасыщенныеалифатическиецепиистеринывызываютповышениевязE кости мембраны и ограничивают латеральное движение молекул белка

вполостимембраны.Мембранныебелкимогуттакжебытьограничены

вподвижности в связи с присутствием связанных с внутренней поверхE

ностьюмембраныцитоскелетныхструктур.

Классификация мембранных белков в зависимости от их функций

1.Ферменты — катализаторы.

2.Транспортные белки: селективные фильтры (каналы в биомемE бранах, обладающие избирательностью по отношению к ионам, струкE турно соответствующим к наиболее узкой части канала — фильтру); «ворота» (в возбудимых мембранах при понижении потенциала покоя нижепороговойвеличиныоткрываютсяканалыиионыNа+ поступают

вклетку, в состоянии покоя в нервном волокне Nа+Eканалы закрыты «воротами»); насосы — транспортные АТФEазы (осуществляют переE носвеществпротивконцентрационногоградиентасзатратойэнергии).

3.Рецепторы — это белки, обычно состоящие из нескольких доE менов. Они содержат связывающий участок, специфичный для приE родного лиганда (гормона, медиатора антитела и др.), т. е. «узнают» этот лиганд и взаимодействуют с эффекторными системами, для коE торых они также имеют участок «узнавания». Информация для актиE вирования эффекторной системы целиком содержится в рецепторе мембраны.Заобразованиемкомплексарецептор—лигандследуютспеE цифические реакции такие, как регуляция ферментативной активE ности посредством высвобождения вторичных химических посредниE ков (цАМФ, цГМФ) — циклических нуклеотидов, открывание или закрывание ионных каналов, метилирование, фосфорилирование и увеличение синтеза ДНК.

4.Поверхностныеантигены(антигенныедетерминанты),представE ляютсобойгликопротеидEлипидныекомплексы(например,групповые антигены АВ0, Rh и др. групповых систем крови, локализованные в мембране эритроцитов; тканевые антигены), обеспечивающие иммуE нохимическиефункции.

5.Иммуноглобулины (так, в клеточной мембране ВEлимфоцитов встроенымолекулыиммуноглобулинов,которыеслужатрецепторомдля специфических антигенов). Основная функция таких белков — учасE тие в иммунологических реакциях, т. е. в создании защитных сил оргаE низма путем образования антител.

10