Charakterystyka przedmiotu
Fizjologia człowieka jest nauką o czynnościach żywego organizmu. Wszystkie istoty żywe za równo te o prostej budowie jednokomórkowce, jak i o budowie złożonej np. organizm człowieka charakteryzuje wspólna właściwość, którą jest przemiana materii - metabolizm
Metabolizm obejmuje dwa przeciwstawne procesy :
Anabolizm, czyli asymilacja, przyswajanie, polega na gromadzeniu energii w organizmie
Katabolizm, czyli dysymilacja, rozpad związany jest ze zmniejszeniem się zapasu energii w organizmie.W warunkach fizjologicznych oba te procesy zachodzą w organizmie jednocześnie. W okresie wzrostu organizmu anabolizm przeważa nad katabolizmem, a w okresie dojrzałości metabolizm wykazuje równowagę dynamiczną. Wahania tych procesów nie mogą przekroczyć pewnych granic, które nazywamy fizjologią a przekroczenie granic nazywamy patologią, a więc chorobą.
Środowisko biologiczne organizmu
Metabolizm przebiega wewnątrz organizmu czyli w jego środowisku wewnętrznym, ale każdy żywy organizm otoczony jest środowiskiem zewnętrznym, które choć nie bierze bezpośredniego udziału w metabolizmie komórkowym to jednak wywiera nań duży wpływ.
Środowisko zewnętrzne od wewnętrznego oddziela co najmniej 1 warstwa komórek. Do środowiska zewnętrznego zalicza się np. treść jelitowa oraz powietrze w drogach oddechowych.
Podstawowym składnikiem środowiska zewnętrznego jest woda. U noworodka ilość całkowitej wody w organizmie TBW (Total Body Water) wynosi 80 kilka %. W miarę wzrostu organizmu ilość wody maleje
U młodego mężczyzny woda stanowi 63% masy ciała. U kobiet TBW jest od 2 - 10 % mniejsza niż u mężczyzn w tym samym wieku, a przyczyną jest większa ilość tkanki tłuszczowej. Wyróżniamy 3 przestrzenie płynów ustrojowych :
Płyn w przestrzeni wewnątrzkomórkowej
Płyn w przestrzeni zewnątrzkomórkowej
Płyn w przestrzeni transkomórkowej
Z około 63% wody stanowiącej masę mężczyzny 30 - 40 % to woda wewnątrzkomórkowa
22% to woda zewnątrzkomórkowa
1 - 3% woda w przestrzeni transkomórkowej
Płyn zewnątrzkomórkowy ECF (extracellular fluid) stanowią : Osocze krwi, Płyn tkankowy, Chłonka
Płyn transkomórkowy stanowią : Płyn mózgowo-rdzeniowy, Płyn w komorach oka, Maź stawowa, Płyn surowiczy w jamie opłucnowej , Płyn osierdziowy, Soki trawienne.
Stężenie jonów w płynach wyraża się w molach w litrze wody, lub w Eq biorąc pod uwagę ładunek elektryczny.
1 Eq (ekwiwalent) jest to 1 mol zjonizowanych kationów lub anionów danej substancji wyrażony w gramach i podzielony przez wartościowość jonów.Np.
1 Eq 1 mol zjonizowanych kationów lub anionów : wartościowość jonów
1 Eq Na+ = 23g : 1 = 23g
Osmolarność - płynu określa ciśnienie osmotyczne panujące w 1 litrze płynu, a więc mówi o liczbie swobodnie poruszających się cząsteczek i wywieranym przez nie ciśnieniu na błony półprzepuszczalne, do których należą również błony komórkowe.
W płynie zewnątrzkomórkowym występuje duże stężenie jonów sodowych i chlorkowych, oraz małe stężenie jonów potasowych.
W płynie wewnątrzkomórkowym stężenie jonów sodowych i chlorkowych jest małe, a stężenie jonów potasowych duże. Mimo różnic w stężeniu tych jonów, pomiędzy płynem zewnątrz i wewnątrzkomórkowym ciśnienie osmotyczne obu tych płynów jest jednakowe czyli izoosmotyczne (izotoniczne).
Metabolizm wymaga :
Odżywiania, a więc pobierania ze środowiska zewnętrznego materiałów energetycznych i budulcowych
Oddychania, pobieranie tlenów i wydalanie dwutlenku węgla
Krążenia, materiałów energetycznych, budulcowych, O2 i CO2 i produktów przemiany materii pomiędzy wyspecjalizowanymi komórkami
Wydalania, usunięcia ze środowiska wewnętrznego nielotnych produktów przemiany materii.
Przetwarzanie i przenoszenie informacji. Zarówno w środowisku zewnętrznym jak i wewnętrznym zachodzą stale zmiany. Każdy sygnał niesie informację ze środowiska zewnętrznego (np. fale świetlne, fale akustyczne) lub ze środowiska wewnętrznego (np. prężność O2 lub CO2 we krwi, koncentracja jonów wodorowych). W obrębie receptorów zachodzi przetwarzanie informacji na 2 sposoby analogowy i cyfrowy. Przetwarzanie w sposób analogowy czyli ciągły odbywa się za pośrednictwem hormonów, a więc na drodze humoralnej np. prze komórki dokrewne błony śluzowej dwunastnicy wydziela się związek chemiczny zwany sekretyną, który krążąc we krwi pobudza trzustkę do wydzielana soku. Ilość wydzielonego soku trzustkowego w jednostce czasu jest proporcjonalna do stężenia krążących we krwi cząsteczek sekretyny. Podobnie w nerkach wydzielana jest erytropoetyna mająca wpływ na produkcję krwinek czerwonych. Przetwarzanie a następnie przenoszenie informacji w sposób przerywany, czyli cyfrowy podobnie jak w maszynach cyfrowych zachodzi w włóknach nerwowych. Jednostką informacji nazywa się bit. Większość procesów fizjologicznych w organizmie polega regulacji dzięki sprzężeniom zwrotnym. Większość informacji jest jednokierunkowa, mówimy wtedy o sprzężeniu prostym. Ujemne sprzężenie zwrotne pomiędzy układem sterującym i sterowanym zapewnia stabilizację funkcji fizjologicznych. Kontrola wzajemnie zwrotna czyli regulacja związana jest z dwukierunkowym przesyłaniem informacji zakodowanych za równo w postaci impulsów nerwowych, jak i cząsteczek chemicznych. Wzmożona czynność jednego narządu jest źródłem informacji pobudzających drugi narząd, który z kolei wysyła informacje hamujące czynność pierwszego narządu.
Komórka nerwowa. W organizmie człowieka znajduje się około 30 miliardów komórek nerwowych, czyli neuronów. Zasadniczą funkcją neuronu jest przekazywanie informacji zakodowanych w postaci impulsów nerwowych. Neurony składają się z ciała komórkowego oraz 2 rodzajów wypustek : 1 aksonu i licznych dendrytów. Neurony utworzone są z jądra komórkowego wraz z otaczającą go cytoplazmą (neuroplazmą). W organizmie człowieka występują neurony o krótkich aksonach jak i długich sięgających do 1,2 m. Z zewnątrz aksony otaczają lemocyty, które stanowią osłonę mechaniczną aksonu, oraz pośredniczą w wymianie substancji odżywczych i metabolitów pomiędzy aksonem a płynem międzykomórkowym. Większość aksonów biegnących przez istotę białą w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) oraz w nerwach rdzeniowych otoczona jest przez dodatkową osłonkę mielinową. Osłonka ta spełnia jednocześnie funkcję ochrony mechanicznej oraz izolatora elektrycznego aksonu. W warunkach prawidłowych aksony przewodzą impulsy nerwowe tylko w 1 kierunku tj. od ciała neuronu do zakończenia aksonu. Drugi rodzaj wypustek nerwowych stanowią dendryty, zazwyczaj licznie rozgałęzione i krótsze od aksonów przewodzą one impulsy nerwowe do ciała komórkowego. Potencjał czynnościowy
Bodziec działający na komórkę neuronu zmienia jej właściwości co z kolei wywołuje potencjał czynnościowy. Do wnętrza neuronu przez otwierające się kanały dla prądu jonów sodowych napływają jony sodu co powoduje wyrównanie ładunków elektrycznych pomiędzy wnętrzem a otoczeniem. Zjawisko to określa się jako depolaryzację błony komórkowej. Jony sodu początkowo wnikają do wnętrza neuronu tylko w miejscach zadziałania bodźca. Z chwilą wyrównania warunków elektrycznych w tym jednym miejscu depolaryzacja zaczyna się rozszerzać na sąsiednie odcinki błony komórkowej przesuwając się również wzdłuż aksonów. Impulsem nerwowym jest przesuwanie się fali depolaryzacji od miejsca zadziałania bodźca na komórkę aż do zakończenia neuronu. Impulsy nerwowe są przewodzone przez komórki nerwowe nie pojedynczo lecz w postaci salw. Powierzchnię błony komórkowej ciała neuronu i dendrytów pokrywają w około 40% struktury zwane kolbami końcowymi czyli synapsami. Kolby końcowe pokrywa błona presynaptyczna należąca do neuronu przekazującego impuls. Pomiędzy błoną presynaptyczną a błoną komórkową neuronu odbierającego impulsy zwaną błoną postsynaptyczną istnieje przestrzeń synaptyczna. Wewnątrz kolb synaptycznych znajdują się mitochondria, oraz twory zwane pęcherzykami synaptycznymi. Zagęszczenie tych pęcherzyków wzrasta w miejscu stykania się błony presynaptycznej z błoną postsynaptyczną. Pęcherzyki synaptyczne zawierają transmittery i modulatory chemiczne. Do transmiterów chemicznych zalicza się : acetylocholinę, aminy (dopamina, adrenalina, noradrenalina, serotonina i histamina) oraz aminokwasy. Acetylocholina- Jest syntetyzowana w zakończeniach cholinergicznych z choliny i kwasu octowego przy pomocy enzymu acetylotransferazy cholinowej. Cząsteczki acetylocholiny uwalniane z pęcherzyków synaptycznych do przestrzeni synaptycznej w wyniku egzocytozy wiążą się z receptorem cholinergicznym w błonie postsynaptycznej, po czym otwierają się kanały dla komórkowego prądu jonów sodowych. Receptor cholinergiczny jest białkiem błony komórkowej zbudowanym z 4 podjednostek (alfa, beta, gamma, delta) o m.cz. 250 000. Wyróżnia się 2 receptory cholinergiczne - nikotynowy i muskarynowy. W błonie postsynaptycznej, na którą działa acetylocholina znajduje się enzym zwany esterazą cholinową. Enzym ten rozkłada acetylocholinę na cholinę i kwas octowy.
Noradrenalina i adrenalina wywierają wpływ na komórki poprzez receptory adrenergiczne alfa i beta. Histamina zaś powstaje na skutek dekarboksylacji aminokwasu histydyny i działa poprzez receptory H1 i H2.
Pompa sodowo-potasowa
Utrzymanie wewnątrz komórek dużego stężenia potasu i małego stężeniu sodu wymaga aktywnego transportu oby tych kationów, przez błonę komórkową przeciwko gradientowi stężeń. Enzym transportujący sód i potas przez błonę komórkową czerpie energię z hydrolizy ATP do ADP. Napęd pompy sodowo - potasowej wiąże się z metabolizmem wewnątrzkomórkowym. Około 30% całego metabolizmu komórkowego, zużywane jest na napęd pompy sodowo - potasowej. Prawidłowa praca pompy wymaga :
Stałego dopływu tlenu i substancji energetycznych (glukozy); Stałego odprowadzania z komórek CO2; Stałej resyntezy ATP z ADP; Odpowiedniej temperatury tj. 37'C
Przy braku tlenu lub oziębieniu organizmu następuje zatrzymanie pompy. Stężenia sodu i potasu po obu stronach błony komórkowej wyrównują się i dzięki temu nie ma potencjału elektrycznego pomiędzy wnętrzem komórki a otoczeniem.
Mięśnie poprzecznie prążkowane, czyli szkieletowe zbudowane są z wielu tysięcy komórek mięśniowych tworzących pęczki. Komórka mięśniowa otoczona jest sarkolemą, która jest pobudliwą błoną komórkową. Wnętrze komórki wypełnia sarkoplazma i pęczki włókienek mięśniowych, zwanych miofibrylami. Włókno mięśniowe składa się z grubych i cienkich nitek kurczliwych. Nitki grube tworzą cząsteczki miozyny. Nitka cienka utworzona jest z aktyny i tropiomozony, na której osadzone są cząsteczki troponiny. W czasie skurczu komórki mięśniowej aktyny tworzące prążki izotropowe wsuwają się pomiędzy nitki miozyny i dzięki temu wszystkie prążki izotropowe nikną. W rozkurczu nitki aktyny wysuwają się z pomiędzy nitek miozyny i prążki izotropowe stają się widoczne. Skurcze mięśni: Pod wpływem działającego na komórkę mięśniową bodźca, jego błona komórkowa ulega depolaryzacji, po której następuje skurcz całej komórki. Bodziec podprogowy nie wywołuje ani depolaryzacji ani skurczu. Komórka mięśniowa odpowiada na bodziec zgodnie z prawem „wszystko albo nic” tzn. pod wpływem każdego bodźca o intensywności progowej lub wyższej od progowej reaguje maksymalnie, nie odpowiada natomiast na bodźce podprogowe. Depolaryzacja błony komórkowej mięśnia trwa od 1 do 3 ms. W tym czasie błona komórkowa jest niewrażliwa na bodźce. Jest to okres bezwzględnej niewrażliwości. Po fazie depolaryzacji następuje faza repolaryzacji w czasie której potencjał elektryczny wnętrza komórki mięśniowej powraca do stanu wyjściowego tj. do stanu w okresie spoczynku przed działaniem bodźca. Depolaryzacja błony komórkowej wyprzeda o kilka ms początek skurczu mięśnia. Wyróżnia się 2 rodzaje skurczów mięśni szkieletowych : izotoniczny i izometryczny. W czasie skurczu izotonicznego komórka mięśniowa skraca się i cały mięsień ulega skróceniu, jego napięcie zaś nie zmienia się. Skurcz izometryczny charakteryzuje się wzrostem napięcia mięśnia bez zmian jego długości. Przy pewnej częstotliwości bodźca zaczyna występować zjawisko sumowania się skurczów pojedynczych mięśnia. Dochodzi do skurczu tężcowegoEnergetyka skurczu mięśnia: bezpośrednim źródłem energii potrzebnej do skurczu mięśnia szkieletowego jest ATP, który w czasie skurczu rozkłada się do ADP i fosforanu. Resynteza ATP wymaga energii a najwięcej tej energii dostarcza glukoza w czasie procesu glikolizy tlenowej, kiedy prężność tlenu w komórce jest dostateczna. W czasie dużego wysiłku fizycznego dowóz tlenu do komórek mięśniowych jest niewystarczający. Dochodzi wtedy do dysocjacji mioglobiny, barwnika podobnego do hemoglobiny, która uwalnia związany tlen, ale ilość tego tlenu jest niewielka. W tym stanie energia do resyntezy ATP czerpana jest w procesie glikolizy beztlenowej.Czerpanie energii do resyntezy ATP w procesie glikolizy beztlenowej jest mało wydajne ponieważ w procesie tym powstają mleczany i dochodzi do zakwaszenia mięśni.
Glikoliza tlenowa - 1 mol glukozy + O2 -------> CO2 + H2O ; 38 mol ADP + P -------> 38 mol ATP
Glikoliza beztlenowa ; Glukoza --------> mleczan ; ADP + P --------> ATP
Mięśnie gładkie. Komórka mięśniowa gładka w odróżnieniu od komórki mięśniowej szkieletowej nie ma jednostek kurczliwych w postaci sarkomerów. Komórka posiada jednak nitki kurczliwe przebiegające wzdłuż osi mięśnia, które w czasie skurczu mięśnia skracają się na skutek nasuwania się cząsteczek aktyny na cząsteczki miozyny. Rozróżniamy 2 typy mięśni gładkich : Wielojednostkowe mięśnie gładkie (w naczyniach krwionośnych, tęczówce)Trzewne mięśnie gładkie (przewody pokarmowe, macica)
Mięśnie gładkie kurczą się pod wpływem :
Samoistnego pobudzenia, które występuje w niektórych komórkach trzewnych mięśni gładkich
Czynnika miejscowego mechanicznego lub chemicznego np. rozciąganie mięśnia, zmiany pH
Związków chemicznych np. hormony rdzenia nadnerczy (adrenalina, noradrenalina)
Związków chemicznych wydzielanych z aksonów wydzielanych z transmiterów(acetylocholina)
Mięsień sercowy składa się z 2 mięśni tj. z mięśnia komór i mięśnia przedsionków połączonych pierścieniami włóknistymi. Mięsień sercowy przypomina budową mięśnie szkieletowe, ale pod względem czynnościowym zbliżony jest do mięśni gładkich. Potencjał spoczynkowy komórki mięśnia sercowego wynosi 80 mV. W spoczynku jony potasowe stale wychodzą z komórek mięśnia sercowego poprzez tzw. kanały potasowe. Jednocześnie jony sodowe stale wchodzą do wnętrza komórek mięśnia sercowego. Przesunięcia w rozmieszczeniu jonów są wyrównywane przez pompę jonową usuwającą jony sodu z komórek i wciągającą jony potasu do wnętrza komórek
W czasie pobudzenia komórek mięśnia serca rozpoczyna się faza zero - czyli szybka depolaryzacja, po której następuje repolaryzacja czyli faza 1 przechodząca fazę 2. W fazie 3 następuje powrót do potencjału spoczynkowego.
Komórki układu przewodzącego serca
Węzeł zatokowo-przedsionkowy Keita-Flacka
Węzeł przedsionkowo-komorowy Aschoffa-Tawary
Pęczek przedsionkowo-komorowy Palladino-Hisa, który dzieli się na 2 odnogi zakończone włóknami Purkinjego. Komórki układu przewodzącego samoistnie i rytmicznie pobudzają się i tworzą tym samym rozrusznik. Samoistne pobudzenia węzła zatokowo-przedsionkowego jest wywołane powolną depolaryzacją błony komórkowej występującą pomiędzy potencjałami czynnościowymi. Potencjał częściowy, czyli depolaryzacja powstający w węźle zatokowo-przedsionkowym rozchodzi się na mięsień przedsionków a następnie na węzeł i pęczek przedsionkowo-komorowy oraz mięsień komór.
1