Wykładowca: prof. dr hab. n. med. A. Rydzewski

Wykład z ćwiczeń z dnia 18.12.2010 (sobota)

Zaliczenie - obecności i kolokwium na 4-5 pytań, opisowo. Dopuszczalna 1 nieobecność nieusprawiedliwiona.

Fizjologia - nauka o czynnościach życiowych organizmów. Bada prawa rządzące pracą narządów, komórek i tkanek tych organizmów.

Zwykle dzieli się na fizjologię zwierząt i roślin.

W miarę rozwoju nauki pojawiły się badania dotyczące węższych grup organizmów i specjalizacje:

• fizjologia komórki - cytologia

• fizjologia układu nerwowego - neurofizjologia

• fizjologia układu krążenia

• fizjologia układu oddechowego

• fizjologia układu dokrewnego

• fizjologia układu pokarmowego

• fizjologia układu ruchu

• fizjologia układu moczowo-płciowego

• fizjologia układu odpornościowego - immunologia

• fizjologia patologiczna - patofizjologia

Fizjologia człowieka - nauka zajmująca się procesami życiowymi organizmu ludzkiego (czynnościami i funkcjami jego komórek, tkanek i narządów oraz prawami, które tymi funkcjami rządzą).

Podstawowym pojęciem fizjologii jest homeostaza - równowaga fizykochemiczna w organizmie umożliwiająca jego funkcjonowanie. Wszystkie komórki i narządy współdziałają w celu jej utrzymania.

W swych badaniach opiera się na fizyce, chemii, biologii, a także współpracuje z cytologią, anatomią, biofizyką, biochemią, elektroniką i wieloma innymi. Poszczególne działy fizjologii są również podstawą nauk klinicznych. Na przykład na fizjologii układu dokrewnego opiera się endokrynologia, a na fizjologii układu krążenia - kardiologia. Fizjologia zwierząt i człowieka stanowi łącznik pomiędzy biologią i medycyną.

W zakres fizjologii wchodzi nie tylko wiedza o prawidłowym funkcjonowaniu organizmu, ale też o sposobach przywracania właściwego działania gdy zostanie ono zaburzone. Stan zakłócenia tego prawidłowego działania nazywa się patologią.

Homeostaza - równowaga fizykochemiczna w organizmie umożliwiająca jego funkcjonowanie. Wszystkie narządy i komórki współdziałają celem utrzymania tej równowagi.

Fizjologia w swych badaniach opiera się głównie na fizyce, chemii, biologii, a także współpracuje z cytologią, anatomią, biofizyką, biochemią, elektroniką i innymi naukami.

Fizjologia człowieka i zwierząt stanowi łącznik pomiędzy biologią i medycyną.

Historia

• Arystoteles - zasady myślenia krytycznego, związek między strukturą a funkcją

• Claudius Galenus (zwany także Galen) - pierwsze eksperymenty dot. funkcjonowania organizmów

• Indie - powstanie anatomii i fizjologii

• Średniowiecze - rozwój fizjologii w świecie Arabskim

• William Hartley - opis krążenia krwi

• Matias Schleidan i Theodor Schwan - teoria komórkowa (1838)

• Claude Bernard - teoria środowiska wewnętrznego

• Walter Cannon - pojęcie homeostazy

Wprowadzenie do nauki o chorobach wewnętrznych

Okres medycyny empirycznej do XVIII wieku bazował głównie na obserwacji objawów choroby oraz związków pomiędzy stosowanym leczeniem a przebiegiem choroby. Nieznane były przyczyny oraz mechanizmy choroby.

Przesłanki naukowe stosowane w medycynie od XVIII wieku

Etiologia - przyczyna chorób
Patogeneza - mechanizm chorób
Patomorfologia
Zmiany anatomiczne i czynniki wywoływane chorobą:
Patofizjologia
Farmakodynamika - mechanika działania leków

Homeostaza - zdolność utrzymywania stałości parametrów wewnętrznych w systemie (zamkniętym lub otwartym). Pojęcie to zwykle odnosi się do samoregulacji procesów biologicznych. Zasadniczo sprowadza się to do utrzymania stanu stacjonarnego płynów wewnątrz- i (w organizmach wielokomórkowych) zewnątrzkomórkowych. Pojęcie homeostazy wprowadził Walter Cannon w 1939 roku na podstawie założeń Claude Bernarda z 1857 r. dotyczących stabilności środowiska wewnętrznego. Homeostaza jest podstawowym pojęciem w fizjologii. Pojęcie to jest także stosowane w psychologii zdrowia dla określenia mechanizmu adaptacyjnego.

• Temperatura ciała

• pH krwi i płynów ustrojowych

• ciśnienie osmotyczne

• objętość płynów ustrojowych

• stężenie płynów związków chemicznych w płynach ustrojowych

• ciśnienie tętnicze krwi

• ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla we krwi

• kontrola wymiany parametrów odbywa się przez receptory, a informacje o nich przekazywane są do interpretatora

• porównanie wartości wykrytej ze stałą wartością prawidłową lub z jej przedziałami akceptowalnymi. Jeśli centralny stan parametru jest zbyt wysoki lub zbyt niski, centrum integrujące zmusza efektory do odpowiedzi dla poszczególnej sytuacji.

Hemostaza - całokształt mechanizmów zapobiegających wypływowi krwi z naczyń krwionośnych, zarówno w warunkach prawidłowych, jak i w przypadkach ich uszkodzeń, jednocześnie zapewniając jej prawidłowy przepływ w układzie krwionośnym. Pojęcie hemostazy obejmuje zarówno krzepnięcie krwi jak i fibrynoliza. Oba procesy zachodzą jednocześnie, również w momencie tworzenia skrzepu.

Mechanizmy wytwarzania odpowiedzi:

• fizjologiczne

• behawioralne

Sprzężenie zwrotne - (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałęzi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta może być modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej.

Wyróżnia się sprzężenie zwrotne dodatnie, DSZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej dodaje się do wartości referencyjnej w węźle sumacyjnym oraz sprzężenie zwrotne ujemne, USZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej odejmuje się w węźle sumacyjnym od wartości referencyjnej.

Receptor - białko rozpoznające ligand

Ligand - czynnik rozpoznawalny i wiążący się z receptorem

Agonista - ligand aktywujący receptor

Antagonista - ligand inaktywujący receptor

Receptory jądrowe - to rodzaj czynników transkrypcyjnych, które przez przyłączanie specyficznych ligandów, regulują ekspresję licznych genów.

Receptory błonowe - białka łączące się z określoną inną substancją (ligandem), taką jak np. neuroprzekaźnik albo hormon, i inicjujące kaskadę przewodzenia sygnału i reakcji komórki w odpowiedzi na ligand. W zasadzie ligand pasuje do receptora jak klucz do zamka, jednak jeden ligand może wiązać się z różnymi receptorami oraz jeden receptor może być pobudzany przez jeden lub więcej ligandów. Receptory mają ogromne znaczenie w biotechnologii i medycynie: badania nad nowymi lekami koncentrują się na znalezieniu substancji chemicznych blokujących lub pobudzających receptory.

Odpowiedź zarówno w przypadku receptorów jądrowych jak i receptorów błonowych zależy od liczby receptorów oraz stopnia stężenia ligandów.

Błona komórkowa a ICF.

• Zapewnia stałości składu wewnątrzkomórkowego (IFC)

• Przez nią odbywa się wymiana między ICF a ECF (płyn zewnątrzkomórkowy) za pośrednictwem:
  - dyfuzji
  - osmozy
  - transportu aktywnego
  - transportu pęcherzykowego

Błona komórkowa

• Komórkę otacza błona komórkowa

• Lipidy tworzą podstawowe rusztowania błony

• Lipidy są związkami amfipatycznymi, tj. cząsteczkami asymetrycznymi

Funkcje pełnione przez białka błony komórkowej:

• receptory - spełniają rolę w kontaktowaniu się komórki ze światem zewnętrznym, endocytozach i wielu innych;

• enzymy - jak kompleksy białkowe syntetyzujące celulozę w komórkach roślinnych

• białka wiążące komórkę z innymi komórkami bądź elementami macierzy zewnątrzkomórkowej

• białka uczestniczące w transporcie - kanały, przenośniki, pompy

Białka

• Białka integralne

Białek tych nie można łatwo oddzielić od błony (na przykład za pomocą roztworów soli) ze względu na wiązania hydrofobowe z elementami dwuwarstwy lipidowej. Ta klasa białek jest zakotwiczona w błonie motywem białkowym. Do ekstrahowania ich należy używać detergentów. Integralne białka błonowe dzieli się na:

• białka transbłonowe (transmembranowe), które przebijają całą grubość dwuwarstwy. Białka transbłonowe z kolei, można podzielić na białka jednokrotnie (białka monotopowe) lub wielokrotnie (białka politopowe) perforujące błonę;

• białka nie przebijające błony, które dzielą się na białka listka (monowarstwy) wewnętrznego i zewnętrznego. Swoistą podgrupą białek nie przebijających błony są białka wewnętrzne błony, ulokowane pomiędzy dwoma jej monowarstwami, w jej części hydrofobowej.

Na szczególną uwagę zasługują sposoby kotwiczenia białek integralnych w dwuwarstwie. Silnie hydrofobowy charakter części lipidowej błony wymusza specyficzną strukturę białek - strukturę α helisy bądź β beczułki. Struktury te wymuszają skierowanie polarnych łańcuchów bocznych aminokwasów danego białka do wnętrza struktury, co najczęściej daje efekt polarnego kanału pozwalającego na przepływ odpowiednich polarnych cząsteczek.

• Białka powierzchniowe (peryferyjne)

Białka te łatwo można oddzielić od błony za pomocą roztworów soli. Nie perforują one żadnej z monowarstw błony, a z błoną związane są za pomocą słabych oddziaływań molekularnych, głównie wiązań jonowych, wodorowych i Van der Waalsa. Oddziałują w ten sposób z samą błoną lub z białkami integralnymi. Te białka mają zwykle duże fragmenty polarne i łączą się z fosfolipidami błony wiązaniami jonowymi.

• Białka zakotwiczone

Te białka utrzymywane w pobliżu błony za pomocą niebiałkowego (lipidowego) elementu strukturalnego zakotwiczonego w błonie. Zależnie od białka można je izolować z błony tylko za pomocą detergentów lub za pomocą roztworów soli. Białka zakotwiczone zostają wyposażone w motyw kotwiczący na drodze modyfikacji potranslacyjnej. Wyróżnia się następujące modyfikacje białek zakotwiczonych:

• mirystylacja przy N-końcu;

• palmitylacja reszt cysteiny;

• farnezylacja przy C-końcu;

• geranylogeranylacja przy C-końcu;

• glikozylofosfatydyloinozytol na C-końcu (motyw cukrowo-lipidowy);

• stearylacja;

• oleinacja;

• arachidonacja.

W niektórych klasyfikacjach, białka zakotwiczone uznaje się za białka integralne błony.

Prawdopodobnie, aż 30% białek kodowanych w ludzkim genomie stanowią białka błonowe.

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka.

• Dyfuzja prosta

• Dyfuzja ułatwiona

Osmoza - dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.

W kontekście osmozy roztwór z którego ubywa rozpuszczalnika nazywa się hipotonicznym, tego w którym przybywa nazywa się hipertonicznym. Gdy roztwory pozostają w równowadze osmotycznej, mówi się że są wzajemnie izotoniczne względem siebie.

Zjawisko odkryto, badając plazmolizę komórek skórki liści zapasowych cebuli - dotyczyło więc żywych komórek, w których błoną półprzepuszczalną jest błona komórkowa, a roztworami zawartość komórki i płyn pod szkiełkiem nakrywkowym preparatu mikroskopowego. Później nauczono się wytwarzać sztuczne błony półprzepuszczalne (np. celofan) i okazało się, że samo zjawisko nie jest specyficzną cechą życia. Może zachodzić w różnych rozpuszczalnikach i dotyczyć różnych substancji rozpuszczonych.

---