Текст книги "План-конспект ответов на вопросы экзамена по физиологии"

Наталья Борисовна Панкова
План-конспект ответов на вопросы экзамена по физиологии: учебно-методическое пособие

1. Физиология как учебный предмет. Значение физиологии для специалистов в области физического воспитания. Объекты изучения физиологии. Представления о целостном организме. Понятие гомеостаза

Физиология – наука о природе, о существе жизненных процессов. Физиология изучает жизнедеятельность организма и отдельных его частей: клеток, тканей, органов, систем. Предметом изучения физиологии являются функции живого организма, их связь между собой, регуляция и приспособление к внешней среде. В основе функции лежит обмен веществ, энергии и информации.

Общая физиология представляет собой теоретическую основу физиологии спорта. Она описывает основные закономерности деятельности организма людей разного возраста и пола, различные функциональные состояния, механизма работы отдельных органов и систем организма и их взаимодействия. Её практическое значение состоит в научном обосновании возрастных этапов развития организма человека, индивидуальных особенностях отдельных людей, механизмов проявления их физических и умственных способностей, особенностей контроля и возможностей управления функциональным состоянием организма. Физиология вскрывает последствия вредных привычек у человека, обосновывает пути профилактики функциональных нарушений и сохранения здоровья. Знания физиологии помогают педагогу и тренеру в процессах спортивного отбора и спортивной ориентации, в прогнозировании успешности соревновательной деятельности спортсмена, в рациональном построении тренировочного процесса, в обеспечении индивидуализации физических нагрузок и открывают возможности использования функциональных резервов организма.

Объектом изучения физиологии является организм человека в целом, составляющие организм ткани, органы и их системы, клетки и межклеточное вещество. Физиология изучает как статичные состояния, так и изменяющиеся во времени характеристики объектов, т. е. процессы – конкретные функции.

Представления о целостном организме. До середины 19 века в представлениях о живом господствовали схоластические представления (синтез христианского богословия и логики Аристотеля). В 19 веке появилась экспериментальная физиология, с количественным анализом изучаемых явлений. Была создана физиология органов и систем организма, изучена природа взаимоотношений организма и среды (рефлекторная теория И.М.Сеченова), сформулированы принципы автоматической регуляции постоянства внутренней среды организма (гомеостаза). В конце 19 века появились идеи нервизма, которые предусматривают наличие ведущей и определяющей роли нервной системы в жизнедеятельности человека (И.П.Павлов). В 20 веке была разработана теория функциональных систем (П.К.Анохин), которая объясняет объединение множества клеточных и органных элементов в целостный организм за счет полезного приспособительного результата. Современная физиология в вопросе о способах объединения огромного количества клеток в целостный организм подходит с позиций физиологической геномики, где предполагается, что клетки регулируют свою жизнедеятельность через механизмы считывания генетической информации.

Гомеостаз – относительное динамическое постоянство внутренней среды и устойчивость физиологических функций организма. Основным механизмом поддержания гомеостаза является саморегуляция. Саморегуляция представляет собой такой вариант управления, при котором отклонение какой-либо физиологической функции или характеристик (констант) внутренней среды от уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность, является причиной возвращения этой функции (константы) к исходному уровню. Процессы саморегуляции основаны на использовании прямых и обратных связей, которые реализуют в своей работе нервная, иммунная и эндокринная системы.

2. Физиология клетки. Клеточные органеллы. Особенности строения мышечных волокон. Строение и функции миофибрилл

Функции организма выполняют органы и системы органов, состоящие из тканевых элементов. Главный тканевый элемент – клетка. Любую функцию клетки реализуют при помощи конкретных белков, информация о химической структуре которых записана в эндогенной клеточной программе – генах.

Клетка состоит из трёх основных частей: плазматической мембраны, ядра (включая ядерный геном) и цитоплазмы (цитозоль с находящимися в нём структурированными субклеточными единицами – органеллами). К органеллам относят свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), гладкую эндоплазматическую сеть (гладкий эндоплазматический ретикулум), митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы.

В ядре содержится генетический материал в виде 23 пар хромосом. Реализация генетической информации происходит при участии ДНК и разных видов РНК. В ходе транскрипции (считывания) на ДНК-матрице синтезируется комплементарная ДНК молекула мРНК. Эта мРНК выходит из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомами. мРНК продвигается сквозь рибосому, и её нуклеотидная последовательность транслируется (переводится) в соответствующую последовательность аминокислот. Рибосомы – органеллы, функцией которых является считывание кода мРНК и сборка белков.

Эндоплазматический ретикулум – система плоских мембранных цистерн (гладкий эндоплазматический ретикулум), на наружной поверхности которого могут находиться рибосомы (шероховатый эндоплазматический ретикулум). Функции гладкого эндоплазматического ретикулума: депонирование ионов кальция, синтез стероидных гормонов. В шероховатом эндоплазматическом ретикулуме происходит синтез белков для плазматической мембраны, лизосом, пероксисом, а также синтез белков «на экспорт», т. е. предназначенных для секреции.

Митохондрии имеют форму цилиндра диаметром 0.2–1 мкм и длиной до 7 мкм (в среднем около 2 мкм). Органелла содержит наружную и внутреннюю мембраны с узким межмембранным пространством. Внутренняя мембрана образует многочисленные выросты – кристы, окружённые матриксом. Митохондрии выполняют в клетке множество функций: окисление в цикле Кребса, транспорт электронов, фосфорилирование АДФ, функцию контроля внутриклеточной концентрации кальция, синтез белков, образование тепла.

Комплекс Гольджи образован стопкой из 3-10 уплощённых и слегка изогнутых цистерн с расширенными концами. Функции комплекса Гольджи: модификация секреторного продукта, сортировка белков, концентрирование и упаковка секреторных продуктов.

Лизосомы – окружённые мембраной округлые пузырьки. Функцией лизосом является внутриклеточное пищеварение – переваривание материала внутриклеточных компонентов или частиц, различными путями попавших в клетку. Пероксисомы – мембранные пузырьки, особенно многочисленны в клетках печени и почек, и содержащие ферменты, катализирующие анаболические (биосинтез жёлчных кислот) и катаболические (окисление жирных кислот, разрушение ксенобиотиков) процессы.

Мышечное волокно является структурно-функциональной единицей скелетной мышцы. Скелетное мышечное волокно представляет собой симпласт, содержащий несколько тысяч ядер в общей цитоплазме. Имеет форму протяженного цилиндра длиной до 40 мм при диаметре от 10 до 80 мкм. Оболочка волокна (сарколемма) контактирует с элементами саркоплазматического ретикулума (депо кальция) посредством трубковидных впячиваний, называемых Т-трубочками.

Помимо митохондрий и других клеточных органелл, в цитоплазме (саркоплазме) мышечного волокна присутствуют миофибриллы. Это массивы белковых молекул, каждая миофибрилла содержит около 1500 толстых (белок миозин) и 3000 тонких (белок актин) нитей. Вся миофибрилла состоит из саркомеров, разделенных Z-линиями. В состоянии покоя длина саркомера составляет 2 мкм. При такой длине саркомера актиновые нити лишь частично перекрывают миозиновые нити. Миофибриллы – сократительные элементы мышечного волокна, обеспечивающие двигательную функцию. В этой функции также участвуют белки тропомиозин, тропонины и др.

3. Понятие о метаболизме. Анаболизм и катаболизм. Общий план метаболизма. Основной обмен

Живые организмы находятся в постоянной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ (пластический обмен) и энергии (энергетический обмен). Обмен веществ включает три этапа: поступление веществ в организм (дыхание и питание), метаболизм (катаболизм и анаболизм) и выделение конечных продуктов из организма. Внутриклеточный метаболизм (превращения химических веществ в организме) включает два типа реакций: катаболизм и анаболизм:

– Катаболизм – процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ – СО₂, Н₂О и мочевина. В процессы катаболизма включаются вещества, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии.

– Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, когда строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме.

Общий план метаболизма. Короткие цепочки фрагментов углеводов, аминокислот и продуктов жирового катаболизма расщепляются до атомов водорода и CO₂. Атомы водорода, окисляясь, образуют воду. Большая часть энергии, выделяемая при катаболизме, идёт на образование связей между фосфорной кислотой и некоторыми органическими веществами. При гидролизе этих связей выделяется много энергии (10–12 ккал/ моль). Соединения с такими связями называются высокоэнергетическими (макроэргическими). Наиболее важным высокоэнергетическим фосфатом является АТФ.

Для превращения в АТФ энергии, которая освобождается при распаде молекул «топлива», клетка использует 3 различных, но взаимосвязанных пути. Это гликолиз, окисление в цикле Кребса и окислительное фосфорилирование.

Гликолиз – ферментативный анаэробный процесс метаболизма углеводов (главным образом, глюкозы) до молочной кислоты. Обеспечивает клетку энергией в условиях недостаточного снабжения кислородом, а в аэробных условиях является стадией, предшествующей дыханию. При гликолизе 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы молочной кислоты и 2 молекулы АТФ. Окисление – соединение вещества с O₂, потеря водорода или потеря электронов. Биологическое окисление катализируют ферменты, локализованные в матриксе митохондрий. Окисление происходит в цикле Кребса, он же цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты. Молекулой, входящей в цикл Кребса, является ацетилкоэнзим А (который образуется при метаболизме как углеводов, так и липидов и аминокислот). Основная функция окисления субстрата в цикле Кребса – обеспечение реакций окислительного фосфорилирования атомами водорода (Н+). Окислительное фосфорилирование основано на следующих принципах: источником энергии, идущей на присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ (фосфорилирование АДФ, в результате которого образуется АТФ), является соединение атомов водорода с молекулой кислорода, вследствие чего образуется вода (эти реакции – основной потребитель O₂ в клетке). Ферменты, осуществляющие процессы окислительного фосфорилирования, встроены во внутреннюю мембрану митохондрий.

Основной обмен. Интенсивность окислительных процессов и превращение энергии зависят от индивидуальных особенностей организма (пол, возраст, масса тела и рост, условия и характер питания, мышечная работа, состояние эндокринных желез, нервной системы и внутренних органов), а также от условий внешней среды (температура, давление, влажность воздуха и т. д.). Для определения присущего данному организму уровня окислительных процессов и энергетических затрат проводят исследование в определенных стандартных условиях, исключающих влияние факторов, которые существенно сказываются на интенсивности энергетических затрат (мышечная работа, прием пищи, влияние окружающей среды). Энерготраты организма в таких стандартных условиях получили название основного обмена. Энерготраты в условиях основного обмена связаны с поддержанием минимально необходимого для жизни клеток уровня окислительных процессов и с деятельностью постоянно работающих органов и систем – дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени. Величина основного обмена для мужчины среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 165 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) составляет 1 ккал на 1 кг массы тела в час, или 1700 ккал в сутки. У женщин он примерно на 10 % ниже.

4. Функции и метаболизм углеводов

Организм получает углеводы в основном в виде растительного полисахарида крахмала и в виде животного полисахарида – гликогена. Полисахариды, поступившие в организм, в процессе пищеварения распадаются на отдельные мономеры, при этом процесс «переваривания», т. е. химического распада, начинается еще в ротовой полости и завершается в тонком кишечнике. Большая часть глюкозы, поступившей в кровь, тратится на образование АТФ. Метаболизм углеводов является основной частью энергетического обмена. При полном окислении одной молекулы глюкозы выделяется количество энергии, достаточное для образования 38 молекул АТФ.

В пищеварительном тракте конечными продуктами переваривания углеводов являются глюкоза, фруктоза и галактоза. Основной углевод, циркулирующий в крови – глюкоза. Глюкоза является единственным источником энергии для мозга.

Транспорт глюкозы через клеточную мембрану происходит с участием белков-переносчиков, которые транспортируют глюкозу через клеточную мембрану внутрь клетки посредством облегченной диффузии. Главный активатор трансмембранного переноса глюкозы – инсулин. После поступления в клетки глюкоза сразу же используется для образования энергии или накапливается в виде гликогена (полимер из молекул глюкозы). Все клетки тела способны запасать некоторое количество гликогена, но только клетки печени, скелетные мышечные волокна и клетки миокарда могут депонировать большие запасы гликогена. Гликолиз и окислительное фосфорилирование углеводов – процессы регулируемые. Оба процесса постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ, по механизмам обратной связи. Когда запасы углеводов в организме становятся ниже нормального уровня, то умеренное количество глюкозы может образовываться из аминокислот и из глицериновой части жиров в процессе глюконеогенеза. Приблизительно 60 % аминокислот в белках организма могут легко превращаться в углеводы.

5. Функции и метаболизм липидов

К липидам относятся нейтральные жиры (триглицериды), фосфолипиды и холестерин (холестерол). Химическая основа большей части липидов – жирные кислоты (длинные цепи гидрокарбоновых органических кислот). Три жирных кислоты (стеариновая, пальмитиновая и олеиновая) обязательно входят в состав триглицеридов.

Функции липидов в организме:

– Структурная функция: фосфолипиды и холестерин – основные компоненты клеточных мембран. В нервной системе находится большое количество сфингомиелинов: эти вещества действуют как изоляторы в миелиновой оболочке, окружающей нервные волокна.

– Запасающая функция: липиды – форма, в которой депонируется и транспортируется «энергетическое топливо» и вода. Большое количество жиров накапливается в жировой ткани. Первая функция жировой ткани

– накопление триглицеридов для энергетических нужд организма. Вторая функция жировой ткани – обеспечение теплоизоляции тела.

– Регуляторная функция: служат предшественниками биологически активных веществ (простагландины – производные арахидоновой кислоты, стероидные гормоны надпочечников и половые гормоны – производные холестерина), а также растворяют в себе вещества, такой активностью обладающие (жирорастворимые витамины).

– Энергетическая функция: при расщеплении липидов высвобождается вдвое больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Почти все клетки организма, исключая ткань мозга, могут использовать жирные кислоты в качестве источника энергии практически в неизменном виде. В клетках происходит транспорт жирных кислот в митохондрии с помощью вещества-переносчика карнитина.

Организм получает жиры в основном в виде т. н. нейтрального жира, который расщепляется в организме на глицерин и жирные кислоты, с пищей поступает также некоторое количество свободных жирных кислот. Расщепление и всасывание жиров происходит в желудочнокишечном тракте при участии ферментов желчи. Далее липиды через кровяное русло попадают в клетки, где подвергаются дальнейшим химическим превращениям. Во-первых, это дальнейшее полное окисление до углекислого газа и воды, которое является важным источником энергии для клетки. Во-вторых, окисление может быть неполным, с образованием кетоновых тел, из которых в организме синтезируются собственные липиды. Три жирные кислоты (араходоновая, линолевая и линоленовая) не могут образовываться из других жирных кислот, т. е. являются незаменимыми.

Практически все жиры, поступающие с пищей, абсорбируются в лимфу в форме хиломикронов – мельчайших жировых частиц, заключённых в жировую оболочку. В печени из них образуются липопротеины – частицы значительно меньшего размера, чем хиломикроны, но имеющие тот же состав. Основная функция липопротеинов – транспорт липидов в различные ткани организма.

Избыток поступивших в организм липидов откладывается в жировой ткани в виде триглицеридов. В основном триглицериды синтезируются в печени. В тех случаях, когда количество углеводов, поступающих в организм, больше, чем они могут быть немедленно использованы для образования энергии или запасены в виде гликогена, излишки углеводов также превращаются в триглицериды. Различные аминокислоты также могут превращаться в ацетилкоэнзим A с последующим переходом в триглицериды. Когда с пищей поступает белков намного больше, чем они могут быть использованы непосредственно как белки или как прямой источник энергии, они трансформируются и накапливаются в виде жиров.

6. Функции и метаболизм белков

Белки занимают ведущее место среди органических элементов, на их долю приходится более 50 % сухой массы клетки. Они выполняют ряд важнейших биологических функций. Поступающий с пищей из внешней среды белок служит субстратом пластического и энергетического обмена. Пластическое значение белка состоит в восполнении и новообразовании различных структурных и функциональных компонентов клетки. Энергетическое значение заключается в обеспечении организма энергией, образующейся при расщеплении белков. Однако на энергетические нужды белки используются в последнюю очередь, поскольку составляют основу пластического обмена – это основа всех тканевых элементов.

Интенсивность обмена белков в организме чрезвычайно велика. Половина белков активно работающих органов обновляется в течение 5–7 дней.

Функции белков.

– Структурно-строительная (цитоскелет клетки).

– Сократительная (двигательные функции организма обеспечиваются взаимодействием сократительных белков – актина и миозина).

– Информационная (рецепторы на поверхности клеточных мембран имеют белковую природу).

– Каталитическая: вся совокупность обмена веществ в организме (дыхание, пищеварение, выделение) обеспечивается деятельностью ферментов, которые являются белками.

– Транспортная (транспорт по кровеносной системе кислорода, трансмембранный перенос веществ при помощи белков-переносчиков и белков-каналов).

– Регуляторная (часть гормонов имеют полипептидную химическую природу, часть гормонов и медиаторов являются аминокислотами).

– Защитная (антитела по химической природе являются белками).

Белковые молекулы представляют собой длинные цепочки-полимеры. Мономерами (составными частями) белка являются аминокислоты. Из 20 входящих в состав белков аминокислот 12 синтезируются в организме – заменимые аминокислоты, а 8 не синтезируются – незаменимые аминокислоты, которые должны поступать в организм с пищей. 2 незаменимые аминокислоты присутствуют только в животной пище. Биосинтез белков происходит во всех клетках организма, из отдельных аминокислот с участием ДНК и РНК. Полипептидные цепи подвергаются многоступенчатой обработке, в результате которой формируется третичная и четвертичная структура готовых белков. Белки используются внутри клетки или собираются (с участием эндоплазматического ретукулума и аппарата Гольджи) в мембранные пузырьки, выводимые из клеток при помощи процессов эк-зоцитоза.

Белки в организме не депонируются, т. е. не откладываются в запас, поэтому при поступлении с пищей значительного количества белка только часть его расходуется на пластические цели, большая же часть – на энергетические цели.

Распад белка в организме протекает непрерывно. В процессе катаболизма белков окислительное дезаминирование аминокислот дает аммиак. Это вещество, высокотоксичное для клеток. Аммиак легко проходит через клеточные мембраны, поступает в кровь и переносится к печени. Печень содержит ферменты, которые могут связывать 2 молекулы аммиака с двуокисью углерода и образовывать мочевину. Относительно нетоксичная мочевина является основным содержащим азот продуктом метаболизма белков.