Основы молекулярной биофизики

Основы молекулярной биофизики

Основные биологически активные функциональные вещества – биополимеры(белки и нуклеиновые кислоты) представляют собой макро молекулы, содержащие единичные связи. Внутренние повороты вокруг единичных связей приводят к различным конформациям строения молекул.

Структурная гибкость макромолекул определяет их важнейшие физико-химические свойства – возникновение и динамику специфической пространственной структуры.

Белки – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединенных в цепочку альфа-аминокислот.

Физико-химические свойства белков:

1) Амфотерность(как основание или кислота)

2) Растворимость

3) Денатурация(распад структуры)

Пространственная организация белковых молекул

Выделяют 4 вида пространственной организации:

1) Первичная структура белка: последовательность расположения аминокислот в цепи, составляющей молекулу белка. Именно эта структура определяет свойства молекул белка

2) Вторичная(спираль): упорядоченное свертывание цепи в спираль

3) Третьичная: укладка белковых цепей в глобулы

4) Четвертичная: характерная для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами.

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований.

 

ДНК – сахар рибоза РНК – сахар рибоза

ДНК присутствует в ядрах всех растительных и животных клеток, где она находится в комплексе с белками и является составной частью хромосом.

РНК сосредоточена в основном в цитоплазме – жидком содержимом клетки. Большую часть ДНК составляет р-РНК (рибосомная)

Рибосомы – мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка.

Небольшое количество РНК представлено т-РНК, которая участвует в белковом синтезе.

Информация о структуре белков содержится в матричной РНК(м-РНК).

Инфа о структуре белков, закодированная в последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, поэтому необходимо ее безошибочное копирование – синтез т акой же молекулы ДНК(репликация).

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической инфы, а основным свойством ДНК – является ее способность к репликации(самоудвоению).

Биофизика клетки

Клетка – элементарная структурная и функционная единица живого.

Клетка отграничена от других клеток и от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро, в котором сосредоточена основная часть информации, контролирующая наследственность.

Структура клетки

Химический состав клетки

70-80% массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения.

Основные компоненты клетки: белки и нуклеиновые кислоты. Часто клетки содержат небольшое количество запасных веществ, служащих пищевым резервом.

Главные части. Клетка состоит из трех основных частей:

1) Мембрана: кроме разграничения клетки от внешней среды выполняет защитную функцию для внутреннего содержимого, окружает гетерогенный материал, называемый цитоплазмой. В цитоплазме погружено круглое/овальное ядро. Кроме перечисленных функций мембрана выполняет рецепторную функцию(восприятие сигналов внешней среды) и транспортную функцию.

2) Цитоплазма: образует ряд специфических структур – микроворсинки, реснички, клеточные отростки. Эти структуры выполняют функцию движения.

3) Митохондрии: содержат вещества, богатые энергией, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразования энергии.

4) Рибосомы: в них содержатся клеточные белки, которые участвуют в белковом синтезе и присутствуют во всех клетках человека.

Живая клетка обладает рядом свойств: обмен веществ, раздражимостью(способностью реагировать на внутренние и внешние воздействия), ростом и размножением, подвижностью(на основе перечисленных свойств осуществляются функции целого организма).

Биофизические процессы в клетках обеспечивают реализацию механизмов нервной регуляции, регуляции физико-химических показателей внутренней среды(рН, давление..), создание электрических зарядов клеток, распространение возбуждения, выделение секретов, гормонов, ферментов, реализацию действия фармакологических препаратов.

 

Клеточные мембраны

Биофизика мембран изучает структуру и функции биологических мембран. Такие фундаментальные процессы как биосинтез, фотосинтез, трансформация и передача энергии, выведение веществ из клетки протекают с обязательным участием биомембран.

1935г. Даниелли и Давсон предложили первую модель мембраны(общую для всех клеток) как трехслойный структуры – между двумя слоями белка лежит двухрядный слой лепидов.

1956г. Даниелли и Стейн дополнили модель мембраны допущением возможности проникновения гидрофобной части белковой молекулы в лепидный биослой.

 

1972г. Синджер и Николсон предложили жидко-мозаичную модель мембраны, ныне принятую, основу которой составляют липиды, находящиеся в жидкокристаллическом состоянии, которые погружены в разной степени молекулы белка.

Виды биологических мембран

Существуют различные классификации мембран в зависимости от классификационных признаков.

1) По происхождению:

- естественные

- искусственные

2) Зачастую естественные мембраны делят по принадлежности к органоидам:

- наружная(цитоплазматическая)

- ядерная-митохондриальная

- эндоплазматическая

Биологические мембраны, как правило, имеют сложную структуру и отличаются _____ устойчивостью к внешним воздействиям. Поэтому для изучения основных свойств клеточных мембран используются различные искусственные системы, которые моделируют процессы, происходящие в биомембранах.

3) по выполняемой функции:

- фотосинтетические

- рецепторные

- энергосопрягающие

- возбудимые

- невозбудимые

4) Искусственные мембраны в зависимости от включения в их структуру различных белков, переносчиков, ферментов подразделяются на:

- модифицированные

- немодифицированные

Проницаемость мембраны – это способность мембраны пропускать через себя различные вещества – понятие динамическое, определяемое количеством молей вещества, проникающих через единицу поверхности в единицу времени.

5) по проницаемости мембраны делятся на:

- проницаемые – мембраны одинаково хорошо пропускающие вещества в обоих направлениях

- полупроницаемые – мембраны, через которые проходят только одни вещества в прямом и обратном направлении, а другие вещества не проходят вообще

- избирательнопроницаемые – мембраны, избирательно пропускающие одни соединения и не пропускающие близкие по структуре вещества.

Мембранный транспорт –

Это любой переход атомов, ионов и молекул веществ через мембрану из среды в клетку или в обратном направлении независимо от сил, путей и механизмов.

Классификация мембраного транспорта

1) В зависимости от характера связей транспорта одного вещества от переноса других веществ выделяют:

- унипорт – транспорт веществ через мембрану независимо от транспорта других соединений

- симпорт – одновременный и однонаправленный перенос веществ

- антипорт – одновременный транспорт веществ через мембрану в разных направлениях

- потранспорт – взаимозависимый транспорт веществ через мембрану

2) Мембранный транспорт можно классифицировать в зависимости от ____ энергии:

- пассивный транспорт – перенос вещества идет самопроизвольно с уменьшением свободной энергии системы

- активный – перенос вещества, как правило, против электрохимического градиента с участием АТФ, с затратой энергии непосредственно в акте переноса

- вторично-активный транспорт – перенос соединений за счет предварительно созданных градиентов, за счет первичного активного транспорта

Транспорт веществ осуществляют специальные мембранные структуры: каналы, переносчики, насосы.

Каналы – образования белковой природы, имеющие центральную полость для прохождения преимущественно ионов одного вида, и механизмов, обеспечивающих их открытие и закрытие.

Переносчики – молекулы веществ, осуществляющие транспорт веществ в результате взаимодействия с переносимым веществом.

Насосы – мембранные АТФ, специализирующиеся на противоградиентном переносе за счет энергии АТФ.

 

 

Биоэлектрические явления

Процессы жизнедеятельности неразрывно связаны с различными формами биоэлектрических явлений. Они сопровождают возникновение возбуждения и его проведение по нервным волокнам, сокращение волокон мышц, процессы всасывания в ЖКТ, восприятие вкуса, запаха и т.д.

Причиной возникновения биоэлектрических явлений являются постоянно происходящие в процессе жизнедеятельности перераспределения ионов на мембранах и их транспорт.

На практике они регистрируются как разность электрических потенциалов между двумя точками живой ткани, которая измеряется с помощью микроэлектродов.

Потенциал покоя

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность потенциалов, которая называется потенциалом покоя.

На основании экспериментального материала было установлено, что цитоплазма клеток в состоянии покоя имеет «-»

Потенциал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости.

Причиной возникновения потенциала покоя является неравномерное распределение ионов Na и К между содержимым клетки и окружающей средой. Концентрация ионов К внутри клеток в 20-40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация Na в межклеточной жидкости в 10-20 раз больше, чем внутри клетки. Такое распределение обусловлено работой натриево-калиевого насоса(насос переносит из клетки во внешнюю среду 3 иона Na в обмен на перенос 2-х ионов К внутрь клетки за счет молекулы АТФ)

Согласно теории, клеточная мембрана в состоянии покоя проницаема только для ионов калия. Если принять во внимание, что потенциал покоя определяется диффузией ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина определяется из уравнения Нернста:

-- отношение концентраций К снаружи к внутренней

R – газовая постоянная, n—валентность К, F – число Фарадея, T – абсолютная температура.

В состоянии покоя мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na и Cl. Мембранный потенциал представляет собой результирующую ЭДСил, генерируемых всеми 3 каналами.

Соотношение коэффициентов проницаемости покоя:

Р_к: Р_Na: P_cl = 1: 0,04: 0,45

Потенциал действия

Все клетки возбудимых тканей при действии различных раздражителей способны переходить в возбужденное состояние. К возбудимым относятся: нервная, железистая и мышечная ткани.

Возбудимост ь – способность клеток к быстрому ответу на раздражение. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны.

Общее изменение разности потенциалов между клеткой и средой,происходящее при пороговом и сверхпороговом возбуждении клетки называется потенциалом действия.

Если измерить разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками, то возбужденный участок будет электроотрицательным по отношению к невозбужденному. Когда применили методику внутриклеточного отведения потенциалов, то обнаружили, что при возбуждении мембранный потенциал не просто падает до 0, а продолжает изменяться некоторое время.

Возникновение потенциала действия связано с увеличением проницаемости мембраны для ионов Na и последующим усилением диффузий этих ионов внутрь клетки, что приводит к изменению мембранного потенциала(уменьшается). Уменьшение потенциала ниже критического уровня приводит к увеличению проницаемости мембраны и сопровождается усилением диффузий Na в цитоплазме, вызывает еще более значительную деполяризацию мембраны. Интенсивность потоков ионов К из клетки наружу в первые моменты времени остается прежним. Усиленный поток Nа вызывает вначале исчезновение избыточного отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны, а затем приводит к перезагрузке мембраны(овершут).

Поступление ионов Na в клетку продолжается до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не приобретет «+» заряд достаточный для уравновешивания и прекращается до его дальнейшего перехода в клетку. Отношение коэффициента проницаемости в этот момент следующая:

Р_к: Р_Na: P_cl = 1: 20: 0,45

Величина мембранного потенциала в момент возбуждения определяется следующим образом:

Общее изменение мембранного потенциала будет складываться из потенциала покоя и потенциала при возбуждении. Амплитуда потенциала действия достигает от 90-130 мВ.

Период, в течение которого проницаемость для ионов натрия увеличивается, является небольшим (1 минута) в следующий за этим – наблюдается увеличение проницаемости мембраны для ионов калия. Таким образом, поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный поток ионов натрия уменьшается. Это происходит до тех пор, пока не восстановится потенциал покоя – реполяризация мембраны.

Итого: формирование потенциала действия обусловлено двумя потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположно направленный поток ионов калия обуславливает восстановление исходного потенциала покоя.

 

Структура синапсов

Различие в структуре электрического и химического синапса:

1) у электрического: узкая синаптическая щель и наличие поперечных канальцев, соединяющих две мембраны;

2) у химического: широкая синаптическая щель в 4-10 раз больше, чем у электрического; наличие в синаптической бляшке пузырьков, заполненных химическим веществом, при помощи которого передается возбуждение.

Механизм передачи возбуждения:

В электрическом синапсе

Аналогичен механизму проведения возбуждении в нервном волокне. Электрический ток, возникающий между пресинаптической и постсинаптической мембранами, раздражает постсинаптическую мембрану и вызывает в ней генерацию потенциала действия.

2) В химическом синапсе:

Передача возбуждения в химическом синапсе -- процесс,протекающий в несколько этапов. На пресинаптической мембране осуществляется трансформация электрического сигнала в химический, который на постсинаптической мембране снова трансформируется в электрический.

Этапы:

1) синтез медиатора: медиатором называется химическое вещество, которое облегчает одностороннюю передачу возбуждения в химическом синапсе. Синтез медиатора и образование синаптических пузырьков происходит непрерывно;

2) секреция медиатора: выбрасывание синаптических пузырьков в синаптическую щель;

3) взаимодействие медиатора(АХ) с рецепторами постсинаптической мембраны;

4) инактивация (раздражение) медиатора;

5) генерация потенциала действия.

Свойства синапсов:

Свойство	Химический	Электрический
1) Проведение возбуждения	одностороннее	двустроннее
2) Утомляемость	высокая	низкая
3) Синаптическая задержка	длинная	нет(короткая)
4) Чувствительны к действию	хим. агентов	э/м излучений

 

I закон термодинамики

Он является законом сохранения энергии и указывает, что общая энергия системы это величина постоянная, переходящая из одной формы в другую:

II закон термодинамики

Указывает, что все реальные процессы сопровождаются рассеиванием некоторой части энергии в теплоту. Все формы энергии могут быть превращены в теплоту без остатка, но сама теплота не может превращаться в другие формы энергии, т.е. однонаправленный процесс.

Энтропия –

- направление спонтанных процессов в изолированной системе.

Изменение энтропии определяется отношением теплоты, введенной/выведенной из нее к абсолютной температуре:

dS = dQ/T

Энтропия системы имеет тесное отношение к показателю упорядоченности/беспорядка системы.

Согласно принципу Больцмана: энтропия системы пропорциональна термодинамической вероятности состояния беспорядка или упорядоченности:

S = k*lnW (w – состояние вероятности)

Термодинамическая вероятность является числом микросостояний системы: чем выше число микросостояний, тем более неупорядоченная система.

Теплообразование

Разнообразные формы проявления жизни неразрывно связаны с превращением энергии. Энергетический обмен является основной особенностью живой клетки.

Живой организм продуцирует тепло, которое идет на нагревание тела. Количество тепла, необходимое на нагревание тела на 1 градус Цельсия примерно 0,83 ккал/кг.

Чтобы увеличить теплоту тела человека массой 70 кг на 1^оС, нужно потратить примерно 58 ккал. Этот же человек в условия покоя выделяет 72 ккал в час, следовательно, если бы не было процесса теплоотдачи, то каждый час ткани человека нагревались на 1,24 ^оС. Однако такого не происходит, т.к. в условиях покоя скорость продукции тепла равна скорости ее потери, этот процесс называют тепловым балансом. А в целом терморегуляция – процесс регуляции теплопродукции и теплоотдачи.

Теплоотдача

Механизмы теплопродукции

Источник тепла в организме – реакции окисления белков, жиров, углеводов.

При гидролизе питательных веществ часть энергии аккумулируется в АТФ, а часть рассеивается виде тепла(первичная теплота). При использовании энергии, аккумулированной в АТФ, часть энергии идет на выполнение работы, а часть рассеивается виде тепла.

Механизмы теплоотдачи

1) Т еплопроведение – способ отдачи тепла телу, которое непосредственно контактирует с телом человека.

2) Теплоизлучение (инфракрасное излучение) – отдача тепла с участков кожи, неприкрытых одеждой.

3) Испарение – отдача тепла за счет траты энергии на испарение воды.

 

Биофизика сложных систем

Биофизика кровообращения

Режимы течения крови

Различают ламинарное и турбулентное течения крови.

1) Ламинарное – упорядоченное движение жидкости, при котором она перемещается как бы слоями параллельными направлению течения

При ламинарном течении скорость в сечении сосуда измеряют по закону:

v=v_o*(1-z²/R²)

(v₀ – максимальная скорость течения, z – расстояние от оси, R – радиус сосуда)

2) С увеличением скорости движения ламинарное течение переходит в турбулентное, при котором происходит интенсивное перемешивание между слоями жидкости, в потоке возникают многочисленные ветки различных размеров, частицы совершают хаотичное движение по сложным траекториям.

Вводят понятие об усредненной скорости движения, получающейся в результате усреднения истинной скорости по большим промежуткам времени в каждой точке пространства. При этом существенно изменяются свойства движения крови, структура потока, профиль скоростей.

Режим течения крови может характеризоваться числом Рейнольдса (R_e). Для движения крови в круглом сосуде число Рейнольдса:

R_e=2vRρ/ν

(v – скорость движения крови, R – радиус сосуда, ν – вязкость крови, ρ – плотность)

Когда значение R_e меньше критического(R_{e кр} = 2300), то имеет место ламинарное течение, Re > 2300 – то турбулентное течение.

Механические свойства мышц

Основные свойства мышц их возбудимость, проводимость, сократимость. Для регистрации мышечного сокращения применяется методика миографии, т.е. графическая регистрация сокращения с помощью рычажка, присоединенного к одному концу мышцы. Второй свободный конец чертит на летнее прибора кривую сокращения – миограмму.

По своим механическим свойствам мышцы относятся к эластомерам – материалам, обладающим эластичностью(растяжимостью и упругостью).

Если мышцу подвергнутьдействию внешней силы, то она растягивается. Величина растяжения мышцы пропорциональна деформирующей силе:

( l – абсолютное удлинение мышцы, l – начальная длина, α – коэффициент упругости, F – деформирующая сила, S – площадь поперечного сечения мышцы)

После того, как внешнюю силу убирают, мышца восстанавливает свою длину, но восстановление не бывает полным. Наличие остаточной деформации характеризует пластичность мышцы – способность сохранять форму после прекращения действия силы.

При сокращении мышцы развивается напряжение и совершается работа. Мышцы обладают сократительными и эластическими элементами, поэтому возникающее напряжение и совершаемая работа обусловлены не только активным сокращением актомиозина, но и пассивным сокращением, определяемым эластичностью. Этими процессами объясняется то, что наиболее мощные движения совершаются при большой амплитуде, обеспечивающей предварительное растяжение мышц.

Мышечные сокращения делятся на изометрические (происходящие при неизменной длине мышц) и на изотонические (происходящие при неизменном напряжении). Чисто изометрические/изотонические сокращения можно получить только в лабораторных условиях, при работе на изолированных мышцах.

В зависимости от величины силы, которую преодолевает мышца, скорость сокращения мышц бывает различна. На основе опытных данных было получено основное уравнение сокращения мышц, согласно которому скорость сокращения мышцы находится в гиперболической зависимости от величины нагрузки:

(F + a) * (v + b) = const

а ~1/4F, b~1/4v (v – скорость сокращения мышцы)

С термодинамической точки зрения мышца представляет собой систему, которая преобразует химическую энергию(АТФ) в механическую работу. Для того чтобы вызвать сокращение мышцы ее подвергают раздражению.

Непосредственное раздражение(например, электрическим током) называют прямым раздражением. Раздражение двигательного нерва, ведущее к сокращению мышцы, называют непрямым раздражением. Ток(импульс), распространяясь по мышечной ткани, в первую очередь действует на находящиеся в ней окончания двигательных нервов, возбуждает их, что приводит к сокращению мышцы.

Режимы сокращения

В естественных условиях в организме мышцы получают из н.с. не одиночные сокращения, а ряд следующих друг за другом нервных импульсов. Такое сокращение называется тетанусом.

Тетанические сокращения представляют собой результат суммации одиночных сокращений. При относительно малой частоте наступает зубчатый тетанус, при большой частоте – гладкий тетанус.

В покое вне работы мышцы не являются полностью расслабленными, а сохраняют некоторое напряжение, называемое тонусом. Внешним проявлением тонуса является определенная степень упругости мышц. У человека тонус мышц может регулироваться произвольно – по желание человек может почти полностью расслабить или их напрячь.

Особенности гладких мышц

В организме гладкая мускулатура находится во внутренних органах, сосудах и коже.

Тонус и двигательная функция гладких мышц регулируется импульсами, поступающими по вегетативным нервам. Важным свойством гладкой мышцы является ее большая пластичность, которая значительно больше, чем у скелетной мышцы. Это свойство имеет большое значение для нормальной деятельности мышц стенок полых органов.

Гладкие мышцы менее возбудимые, чем скелетные.

Их потенциал действия имеет малую амплитуду и большую продолжительность.

При большой силе одиночного раздражения возникает сокращение гладкой мышцы, причем скрытый период и продолжительность самого сокращения достаточно велика. Волна сокращения распространяется по гладкой мускулатуре тоже очень медленно.

Вследствие медленности сокращения, даже при ритмических сокращениях, мышца переходит в состояние стойкого длительного сокращения.

Еще одной характерной особенностью гладких мышц является их способность к спонтанной автоматической деятельности. Автоматическая деятельность присуща самим волокнам и регулируется нервными элементами, которые находятся в стенках гладкомышечных органов.

 

Биофизика дыхания

Внешнее дыхание (вентиляция легких) заключается в обмене воздухом между внешней средой и альвеолами. Вентиляция легких осуществляется в результате ритмичных дыхательных движений грудной клетки.

Дыхательные газы переносятся в организме с помощью конвекционного и диффузиозного транспорта. Для переноса газов на сравнительно большие расстояния служат процессы конвекционного транспорта; диффузиозный транспорт переносит газы на короткие расстояния (менее 1 мм).

Перенос кислорода из окружающей среды в организм происходит в 4 последовательных этапа:

1) конвекционный транспорт в альвеолы (вентиляция);

2) диффузия из альвеол в кровь легочных капилляров;

3) конвекционный перенос кровью к капиллярам тканей;

4) диффузия из капилляров в окружающие ткани.

Первая и вторая стадии вместе называются легочным (внешним) дыханием. Третья стадия носит название транспорта газов кровью, а четвертая - тканевого(внутреннего) дыхания.

Дыхательные движения

Изменения формы грудной клетки обусловлены движениями ребер и диафрагмы.

Движения ребер

Ребра соединены подвижными сочленениями с телами и поперечными отростками позвонков. Через эти две точки фиксации проходит ось, вокруг которой могут вращаться ребра. Когда в результате сокращения инспираторных мышц ребра поднимаются, размеры грудной клетки увеличиваются как в боковом, так и в передне-заднем направлении. Соответственно, когда ребра опускаются, объем грудной клетки уменьшается.

Существует простой способ измерения подвижности грудной клетки. Он состоит в том, что определяют окружность грудной клетки при максимальном вдохе и максимальном выдохе. Сантиметр проводят непосредственно через подмышечные впадины; при этом исследуемый должен держать руки «по швам». У здоровых молодых мужчин разница между окружностью грудной клетки в положениях вдоха и выдоха должна составлять 7-10 см, а у женщин - 5-8 см.

Движения диафрагмы

В норме диафрагма имеет форму купола, выдающегося в грудную полость. Во время выдоха она прилегает к внутренней стенке грудной клетки на протяжении приблизительно трех ребер. Во время вдоха диафрагма уплощается в результате сокращения ее мышечных волокон и отходит от внутренней поверхности грудной клетки. При этом открываются пространства, называемые ребернодиафрагмальными синусами, благодаря чему участки легких, расположенные в области этих синусов, расширяются и особенно хорошо вентилируются.

Типы дыхания

Взависимости от того, связано ли расширение грудной клетки при нормальном дыхании преимущественно с поднятием ребер или уплощением диафрагмы, различают реберный (грудной) и брюшной тины дыхания. При грудном типе дыхание обеспечивается в основном за счет работы межреберных мышц, а диафрагма смещается в известной степени пассивно в соответствии с изменениями внутригрудного давления. При брюшном типе в результате мощного сокращения диафрагмы сильно смещаются органы брюшной полости, поэтому при вдохе живот «выпячивается».

Легочные объемы и емкости

Вентиляция легких зависит от глубины дыхания и частоты дыхательных движений, оба эти параметра могут варьировать в зависимости от потребностей организма.

Впокое дыхательный объем мал по сравнению с общим объемом воздуха в легких. Таким образом, человек может как вдохнуть, так и выдохнуть большой дополнительный объем воздуха. Однако даже при самом глубоком выдохе в альвеолах и воздухоносных путях легких остается некоторое количество воздуха. Для того чтобы количественно описать все эти взаимоотношения, общий легочный объем делят на несколько компонентов; при этом под емкостью понимают совокупность двух или более компонентов.

Рис. Легочные объемы и емкости.

1) Дыхательный объем - количество воздуха, которое человек вдыхает и выдыхает при спокойном дыхании.

2) Резервный объем вдоха - количество воздуха, которое человек может дополнительно вдохнуть после нормального вдоха.

3) Резервный объем выдоха - количество воздуха, которое человек может дополнительно выдохнуть после спокойного выдоха.

4) Остаточный объем - количество воздуха, остающееся в легких после максимального выдоха.

5) Жизненная емкость легких - наибольшее количество воздуха, которое можно выдохнуть после максимального вдоха. Равно сумме 1, 2 и 3.

6) Емкость вдоха - максимальное количество воздуха, которое можно вдохнуть после спокойного выдоха. Равно сумме 1 и 2.

7 ) Функциональная остаточная емкость - количество воздуха, остающееся в легких после спокойного выдоха. Равно сумме 3 и 4.

8) Общая емкость легких - количество воздуха, содержащееся в легких на высоте максимального вдоха. Равно сумме 4 и 5.

Из всех этих величин наибольшее значение, кроме дыхательного объема, имеют жизненная емкость легких и функциональная остаточная емкость.

Объемы вдыхаемого и выдыхаемого воздуха можно непосредственно измерить при помощи спирометра или пневмотахографа. Остальные показатели можно определить лишь косвенно.

 

Закон Вебера-Фехнера

Этот закон доказывает, что раздражение внешнее по отношению к анализатору существенно отличается по ощущениям от предыдущего, т.е. два источника света, следующие друг за другом, будут отличаться по яркости.

Согласно данному закону сила ощущения раздражения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя:

Р – сила ощущения раздражения

S – значение интенсивности раздражителя

S0 – нижнее граничное значение интенсивности раздражителя

Обонятельный анализатор

С участием обонятельного анализатора осуществляется ориентация в окружающем пространстве, происходит процесс познания внешнего мира. Обонятельный анализатор оказывает влияние на пищевое поведение, принимает участие в апробации пищи, в настройке пищевого тракта на обработку пищи, а также на оборонительное поведение благодаря способности различать вредные для организма вещества.

Структура обонятельного анализатора

1) Периферический отдел обонятельного анализатора – включает рецепторы носового хода, слизистой оболочки носовой полости. Обонятельные рецепторы оканчиваются обонятельными ресничками. Воспринимаемые вещества растворяются, затем в результате химической реакции возникает нервный импульс.

2) Проводниковый отдел: образован обонятельным нервом, по волокнам которого импульсы поступают на обонятельную луковицу(структуру переднего мозга) и далее следуют в корковый обонятельный центр.

3) Центральный, или корковый, отдел обонятельного анализатора локализуется на нижней поверхности височной и лобной долей коры больших полушарий. В коре происходит определение запаха и формируется адекватная на него реакция.

Восприятие запаха

Существует две теории:

1) Стериохимическая: молекулы пахучего вещества соответствуют форме рецепторного белка.

2) Современная теория: предполагает, что начальным звеном процессов восприятия могут быть два вида взаимодействия:

а) контактный перенос заряда при взаимодействии молекулы пахучего вещества с рецептором;

б) образование молекулярных комплексов с переносом этого заряда.

Важным моментом этой теории является предположение о многоточечных взаимодействиях молекул веществ и рецепторов.

__

Молекулы пахучего вещества связываются с рецепторами. Сигналы от рецепторных клеток поступают в гломерулы (клубочки) обонятельных луковиц — небольших органов, расположенных в нижней части мозга прямо над носовой полостью. В каждой из двух луковиц содержится примерно 2000 элементов — в два раза больше, чем существует видов рецепторов. Клетки, обладающие рецепторами одного вида, отправляют сигнал в одни и те же элементы луковиц, далее в особые области мозга, где информация от разных рецепторов комбинируется, формируя общую картину.

По теории Дж. Эймура и Р. Монкриффа (стереохимическая теория) запах вещества определяется формой и размером пахучей молекулы, которая по конфигурации подходит к рецепторному участку мембраны «как ключ к замку». Концепция рецепторных участков разного типа, взаимодействующих с конкретными молекулами одорантов предлагает наличие рецептивных участков семи типов (по типам запахов: камфорные, эфирные, цветочные, мускусные, острые, мятные, гнилостные).

 

Вкусовой анализатор

Чувство вкуса связано с раздражением не только химических, но и механических, температурных и даже болевых рецепторов слизистой оболочки полости рта, а также обонятельных рецепторов. Вкусовой анализатор определяет формирование вкусовых ощущений, является рефлексогенной зоной. С помощью вкусового анализатора оцениваются различные качества вкусовых ощущений, сила ощущений, которая зависит не только от силы раздражения, но и от функционального состояния организма.

Периферический отдел.

Рецепторы вкуса (вкусовые клетки с микроворсинками) — это вторичные рецепторы, они являются элементом вкусовых почек. Вкусовые почки в виде отдельных включений находятся на задней стенке глотки, мягком нёбе, миндалинах, гортани, надгортаннике и входят также в состав вкусовых сосочков языка как органа вкуса. Периферический отдел вкусового анализатора представлен вкусовыми луковицами, которые расположены в сосочках языка. Вкусовые клетки усеяны микроворсинками(вкусовыми волосками), которые выходят на поверхность языка через поры. На вкусовой клетке имеется большое число синапсов.

Проводниковый отдел.

Внутрь вкусовой почки входят нервные волокна. Вкусовые почки различных областей полости рта получают нервные волокна от разных нервов. Эти нервные волокна являются периферическими отростками и составляют проводниковый отдел вкусового анализатора.

Центральный отдел.