План-конспект ответов на вопросы экзамена по физиологии

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.