Введение в физиологию клетки. биоэнергетика и метаболизм клетки

Физиология –
(от греч. physis — природа, logos — учение)
наука о механизмах жизнедеятельности организма и его взаимодействия с окружающей средой.

История физиологии
Первый этап
В древней Греции естествоиспытатели назывались «физиологи».
«Фюзис» - живая и неживая природа

История физиологии
Второй этап
Начало экспериментальных
исследований функций организма

История физиологии
Началом становлении экспериментальной физиологии принято считать 1628 год, когда английский врач и анатом Уильям Гарвей опубликовал свою книгу
«Анатомические исследования о движении сердца и крови у животных»,
У. Гарвей (1578—1657)

История физиологии
В своей книге Гарвей точно описал работу сердца, а также малый и большой круги кровообращения, указал, что во время сокращения сердца кровь из левого желудочка поступает в аорту, а оттуда по сосудам все меньшего и меньшего сечения доходит до всех уголков тела.
Уильям Гарвей рассказывает Карлу I о циркуляции крови у животных.

История физиологии
Третий этап
Развитие классической физиологии
В связи с достижениями физики и химии на смену описательно—анатомическому направлению в физиологии в эти годы пришли
физические и химические методы исследования.

История физиологии
«Физиолог –
это физико-химик
живого организма»
И. М. Сеченов
И. М. Сеченов (1829—1905)

История физиологии
Четвертый этап
Формирование синтетической физиологии.
Интеграция знаний дочерних наук:
Биофизики,
Биохимии,
Биоорганической и бионеорганической химии,
Молекулярной биологии,
Биоэнергетики,
Мембранологии и др.

«Предметом современной физиологии являются процессы жизни во всех их проявлениях»
А. М. Уголев
А. М. Уголев (1926—1991)

Организм как многоуровневая система
Жизнь характеризуется высокоупорядоченными системами,
материальными структурами,
составляющими живую систему –
организм

Организм как многоуровневая система
Организм –
материальный субстрат жизни.

Живые системы - одинаковы.

Общая теория систем
«любое множество элементов, любой материальной природы, которые находятся в определенных отношения друг к другу»
Bertalanffy, 1951

Система – это совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов,
объединенных в целое выполнением общей функции,
несводимой к функциям ее компонентов.

Живые системы относятся к классу очень сложных систем.

Классификация систем по сложности
Простые
Сложные
Очень сложные

Сложность системы определяется:
Количеством элементов
Доступностью поэлементного описания

Системный анализ

Живые системы относятся к классу вероятностных систем.

Классификация систем по степени определенности функционирования
Детерминированные
Вероятностные

Поведение детерминированных систем можно с полной уверенностью предсказать.
-

Вероятностными называют системы, элементы которых находятся под влиянием столь большого числа воздействий, что их поведение становится неопределенным.

Живые системы являются самоорганизующимися.
Самоорганиза́ция — процесс упорядочения в системе за счет внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия.

Основные характеристики самоорганизации
самозарождение организации системы – образование целостной системы, структурированной, обособленной от окружающей среды.
Гипотезы о происхождении жизни.

Основные характеристики самоорганизации
совершенствование и саморазвитие организации системы.
Адаптационные и эволюционные процессы.

Основные характеристики самоорганизации
поддержание определенного уровня организации системы:
передача наследственной информации механизмы гомеостаза

организм
организм
организм
Концепция непрерывности зародышевой плазмы Август Вейсман
Зародышевый путь
Организм сохраняет жизнедеятельность в условиях непрерывного взаимодействия с окружающей средой
ДНК
ДНК
ДНК
ДНК
ДНК
ДНК

Концепция непрерывности зародышевой плазмы Август Вейсман
Организм обязан своим существованием ДНК, а ДНК неминуемо исчезла бы, если бы во время кратковременного существования организма не действовали гомеостатические механизмы.

Термин «внутренняя среда» предложен французским физиологом
К. Бернаром.
К. Бернар (1813—1878)

В это понятие включена совокупность жидкостей —
тканевая (интерстициальная, внеклеточная),
кровь,
лимфа,
цереброспинальная,
суставная,
плевральная и
другие жидкости.

Живые клетки нашего организма, окруженные
внутренней средой (межклеточной
жидкостью).
Внешняя среда
Внешняя среда
Внутренняя среда
Клетки обмениваются веществами с внутренней средой.

Обмен веществ и энергией между внутренней и
внешней средами (указанное стрелами), происходит через желудочно-кишечный тракт, почки, легкие и кожу.
легкие
почки
ЖКТ
Внешняя среда
Внешняя среда
Внутренняя среда
кожа

Гомеостатические механизмы
Незначительные изменения внутренней среды
Существенные колебания параметров внешней среды
Клод Бернар пришел к заключению, что параметры внутренней среды у млекопитающих относительно постоянны

«постоянство внутренней среды есть условие независимого существования».
Клод Бернар
Эволюционное развитие механизмов гомеостаза было основным фактором, позволившим животным выйти за пределы относительно благоприятного окружения и завоевать гораздо более суровые для жизни среды обитания.

Гомеостаз – постоянство параметров внутренней среды организма.
Термин «гомеостаз» был предложен в 1929 г. американским физиологом Уолтером Кенноном

Термин «гомеостаз», который традиционно используется применительно ко внутренней среде организма можно использовать по отношению и к внутриклеточной среде.
Фактически, конечной целью поддержания постоянства внутренней среды является внутриклеточный гомеостаз, в следствие чего условия в цитозоле очень точно регулируются.

С точки зрения термодинамики организм является открытой термодинамической системой, находящейся в состоянии устойчивого термодинамического неравновесия.

I закону термодинамики, энергия в ходе физикохимических процессов не исчезает и не возникает из ничего, лишь переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах.

я II закон термодинамики, согласно которому
самопроизвольно протекают реакции, сопровождающиеся увеличением энтропии S; при этом сво-
бодная энергия ∆G должна уменьшаться, т.е. ∆G < 0.

N
A
S

обмен веществ и энергии
совокупность химических превращений веществ и энергии, обеспечивающих
развитие,
жизнедеятельность и
самовоспроизведение живых организмов,
их связь с окружающей средой и
адаптацию к изменениям внешних условий.

Обмен веществ
внешний обмен
промежуточный обмен
(клеточный метаболизм)
внеклеточное превращение веществ на путях их поступления в организм и выделения из него
превращение определенных химических веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот, метаболизм углеводов и т.д.).

Субстрат метаболизма – вещество претерпевающее в организме ряд ферментативных биохимических превращений.
Метаболический путь - последовательность биохимических реакций, направленных на модификацию того или иного субстрата до конечного продукта (в случае замкнутых процессов – цикл).
Метаболиты - промежуточные продукты метаболического пути или цикла.
S
D
N
F
M

анаболизм
катаболизм

Анаболические превращения
(от греч. anabole – подъем)
направлены на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, т.е. на синтез сложных биомолекул
(коферменты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др.) из более простых.
Это восстановительные, эндергонические процессы, протекающие с увеличением свободной энергии.

Катаболические превращения
(от греч. katabole – сбрасывание, разрушение)
направлены на расщепление сложных молекул (как поступивших с пищей, так и уже входящих в состав клеток) до простых компонентов (на конечных стадиях – преимущественно до диоксида углерода и воды).
Это окислительные, экзергонические процессы, сопровождающиеся понижением свободной энергии.

Первичным источником энергии в организме для производства всех видов работы является химическая энергия питательных веществ (белков, жиров, углеводов), выделяющаяся при их окислении.

Энергия выделяющаяся при окислении питательных веществ, не используется непосредственно для совершения работ в организме.

Вначале энергия питательных веществ трансформируется в энергию макроэргических связей некоторых веществ, главным из которых является аденозинтрифосфорная кислота – АТФ.

Затем АТФ диффундирует в соответствующие образования клетки, где ее энергия используется для совершения всех видов работы.
В покое человек расходует около 40 кг АТФ за сутки

Поглощение и усвоение химической энергии в организме животного.
АТФ
Энергия питательных веществ
АДФ+Рн
Выведение теплоты из организма
Механическая работа
Химическая работа
Осмотическая работа
Электрическая работа
Свечение
Q 2
Q 1
Q 2
Q 1
Q 2
Q 1
Q 2
Q 1
Q 2
Q 1
Q 1

Клеточное дыхание – протекающие в клетке окислительные реакции, энергия которых используется для ресинтеза АТФ (специальных «высокоэнергетических» веществ).

2 АТФ
Глюкоза С6Н12О6
Глюкоза С6Н12О6
гликолиз
Пировиноградная кислота
2 молекулы молочная кислота
анаэробное дыхание

анаэробное дыхание
Кислород не требуется;
молекулы питательных веществ окисляются не полностью – до молочной кислоты;
2 молекулы АТФ.

СО2
2 АТФ
Глюкоза С6Н12О6
Глюкоза С6Н12О6
гликолиз
Пировиноградная кислота
2 молекулы молочная кислота
Цикл трикарбоновых кислот
О2
Н2О
36 АТФ
анаэробное дыхание
аэробное дыхание
Цепь переноса электронов

аэробное дыхание
Требуется кислород;
молекулы питательных веществ полностью окисляются до СО2 и воды;
38 молекулы АТФ.

Прямое дыхание
О2
СО2

Физиологическая функция — это проявление жизнедеятельности, имеющее приспособительное значение.
Физиологическая система - совокупность органов и тканей, выполняющих одну функцию
Основой жизнедеятельности являются физиологические процессы — сложная форма единства физических и химических процессов, получивших новое содержание в живой материи. Физиологические процессы лежат в основе физиологических функций.

Физиологическая функция — это проявление взаимодействия между отдельными частями, элементами структуры живой системы. В физиологических функциях проявляется жизнедеятельность как целостного организма, так и отдельных его частей.
Внешнее проявление физиологической функции (функционирование), как правило, не дает представлений об интимных физиологических процессах. Физиология изучает как видимую, феноменологическую сторону явлений, так и их интимную сущность, т. е. физиологические механизмы. Нормальное функционирование органа или организма в целом тесно связано с его структурой, морфологическими особенностями. Всякое нарушение в структуре ведет к расстройству функции. «Морфологические и физиологические явления, форма и функция обусловливают взаимно друг друга».
«Физиология человека», Н.А. Фомин
Характер физиологических реакций, их соответствие меняющимся условиям внешней среды закрепляются в генотипической программе, становятся реализованной «для себя» формой информации из внешней среды. Так, способ взаимодействия между организмом и средой, реализуемый в генотипе, является запрограммированной формой реактивности («норма реакции»). Следовательно, реактивность является конкретной формой реализации информации из внешней среды, в которой закрепляются адекватные способы реагирования на действие раздражителей.

Физиологическая адаптация - совокупность физиологических реакций, лежащих в основе приспособления организма к изменению окружающих условий и направленных на сохранение относительного постоянства его внутренней среды — гомеостаз.