Внутренняя среда Организма. Часть 1

- «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой…»

- Так сказал Фридрих Энгельс. Великий немецкий ученый.

- Четкое и ясное определение. Мы с тобой в предыдущей книге изучали процесс синтеза белка, и теперь логично начать рассмотрение обеспечения этого процесса питательными веществами.

- Транспортирование как процесс постоянного обмена веществ?

- С внешней средой… И вот здесь нам следует определить цепочку, по которой происходит этот транспорт веществ.

Первое поле: ядро клетки, где происходят главные процессы синтеза. Второе поле: цитоплазма, как область основной жизнедеятельности клетки. Далее – для клетки начинается внешний мир.

- Внеклеточное пространство?

- Верно, интерстициальное пространство, Интерстиций. Третье поле: околоклеточное пространство, которое пронизывается кровеносными капиллярами.

- Капилляры обеспечивают доставку нужных веществ?

- Верно. Кровяное русло – это четвертое поле, которое вместе с лимфатической системой обеспечивает как доставку, так и выведение веществ из Интерстиция.

- А в кровь впитывает питательные вещества из системы пищеварения.

- И вместе с дыхательной системой пищеварительная система будет пятым полем… Поиском, определением и измельчением питательных веществ занимается в нашем организме сенсорная система (лат. – sensus, чувство, ощущение), шестое поле, на котором и заканчивается Человек.

- А внешний мир?

- Внешний мир – это уже седьмое поле…

- Число семь… Сем бед – один ответ, семь раз отмерь – раз отрежь, сем дел в одни руки не берут. Семь нот, семь дней недели, семь полей из жизни Клетки…

- Теория Поля. Притом первое и второе поле – это сама Клетка как независимый Организм. А вместе с третьим, четвертым, пятым и шестым полями – это уже сам Человек. Единица - ядро Клетки, семерка – внешний мир как окружающая среда… Два и шесть – особи, независимые системы… И далее цитата Энгельса: «… притом с прекращением этого обмена веществ прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка»…

- Энтропия побеждает Жизнь?

- Вечное «качание» Маятника Жизни… День и Ночь, Свет и Тьма…

- Философия…

- И Наука… Ведь теперь можем снова посмотреть из внешнего во внутреннее. Есть мы как Особи 6, и Внешний Мир 7, как то пространство, в котором мы способны обитать. Мы питаемся из этого пространства. Наша сенсорная система 6 находит нам нужную пищу, мы ее употребляем и направляем в кишечник 5. В кишечнике она перерабатывается с участием ферментов и переходит в кровяное русло 4. Из этого русла питательные вещества через поры капилляров транспортируются в Интерстиций 3. Из него, через мембрану Клетки, питательные вещества поступают в цитоплазму 2. А в самой цитоплазме и происходит вся основная жизнедеятельность Клетки. В ядре 1 – таинство таинств, наша ДНК. Делаем вывод, что функции всего организма – это совокупные функции отдельных органов. А функции отдельных органов представляют собой совокупный результат функций отдельных клеток этих органов в окружении Интерстиция. А эти клеточные функции в свою очередь зависят от свойств клеточных Мембран. И эти свойства нам в первую очередь и следует рассмотреть более углубленно.

- Просто и понятно, в общем.

- Зато сложноватенько, но интересненько – рассмотреть это все детально, не спеша, с чувством, с толком и расстановкой.

- Согласен.

- Тогда – в Путь. 23.12.16

 

Три Территории и две Границы

- Сижу и смотрю в окно. На улице снег… В доме потрескивают горящие в камине дрова… На улице холодно, а мне тепло, комфортно,.. Я - живой организмик, который внутри себя что-то думает, что-то пишет, что-то читает, ходит на улицу сотворять разные дела… Так же и Клетка – живой организмик, обитает в своем мире… Имея с этим миром свои взаимоотношения…

- Клетка и межклеточное пространство?

- Да. Именно о взаимодействии Клетки с межклеточным пространством мы и будем говорить в этой книге. Ведь наше настроение, наше состояние определяются тем, какой вокруг нас мир, каково его состояение, погода, аспекты планет вокруг Земли… Точно так же и клетка всецело зависит от того, в какой окружающей среде она находится. Хорошая среда - клетка здорова, плохая среда - клетка не может развиваться нормально и начинает капризничать. Иногда – очень серьезно.

- Опухоли, неконтролируемый рост?

- Совершенно верно. Потому и важно тебе, да и всем нам, хорошенько знать то, чего хочет Клетка для своего естественного здорового функционирования. Вот потому и начинаем мы с тобой постигать эту тему, тему межклеточного пространства и взаимоотношения с ним… Ты готов слушать?

- Всегда готов, Дед!

- Тогда, пожалуйста, возьми из корзинки на столе одно киви, один апельсин и красное яблоко.

- О! Спасибо, я фрукты люблю!

- Не торопись. Ты их сможешь съесть позже. А пока они -  наше наглядное пособие. Подай их сюда, пожалуйста.

- Вот они лежат. Киви, апельсин и красное яблоко. Смотри внимательно. Я кладу их в ряд. Что получилось?

- Светофор. Три цвета. Зеленый, желтый, красный.

- Зеленое киви – это клетка, желтый апельсин это межклеточное пространство. Есть также красная циркулирующая плазма. Красное яблоко – это сосудистая система организма.

- Реально, растительная клетка – зеленая; лимфа, межклеточная жидкость несколько желтоватая; а кровь – красная… Логично.

- Ты знаешь, что все живое содержит воду, которая, как Мировой Океан, является основной субстанцией жизни во Вселенной. Так в клетках находится 2/3 воды всего организма, а в межклеточном пространстве – 1/3. Из этого следует, как важна внутриклеточная жидкость, содержащая 2/3 воды, и что есть также внеклеточная жидкость, в которой содержится много растворенных веществ и только 1/3 воды. Притом внеклеточная жидкость у животных и человека с замкнутой системой кровообращения условно разделяются на два компонента.

- Одна – в крови, а другая – вне кровяного русла?

- Верно, в крови – циркулирующая плазма, а вне сосудов -  интерстициальная жидкость. Теперь ответь – почему пропорции воды в этих областях разные?

- Потому что есть границы, мембраны.

- Верно. Между клеткой и интерстициальной жидкостью - клеточная мембрана, а между циркулирующей плазмой крови и межклеточным пространством – капилляры сосудов.

- Две границы: мембраны клеток и стенки капилляров.

- Да. Три компонента и две границы между ними. Вот такая математика. 3 и 2, 1/3 и 2/3…

- Циферки?

- Математика. Теория поля…

- А что нам дает понимание разницы в количестве воды?

- Этот факт говорит о том, что концентрация электролитов и коллоидных веществ различна во всех трех компонентах. В плазме крови много белков - анионов, также их много и внутри клетки. В интерстициальной жидкости их мало.

- Потому что они по краям от интерстициальной жидкости?

- Да. Мембрана и капилляры поддерживают эту разность. Зато в интерстициальной жидкости много натрия и хлора! В клетке же много калия. Сам понимаешь, что разность в концентрациях будет побуждать к движению, выравниванию концентраций. Этот процесс называется транспортом.

- И каким образом происходит сообщение между этими тремя условными компонентами?

- Мы видим три компонента и две границы между ними: капилляры и клеточная мембрана. Перенос веществ между ними может происходить сам по себе, пассивно, а может проводиться и при посредстве вспомогательных механизмов - активно.

- Пассивно – это как?

- Диффузия (лат. – diffusio, распространение, растекание), фильтрация (лат. – filtrum, войлок, процеживание)  и осмос (лат. – osmos, толчек, давление). Должен тебе сказать, что пассивный транспорт не требует никакой внешней энергии для обеспечения своего постоянного протекания. А вот активный транспорт – нуждается в энергии из вне. Он осуществляется транспортными переносчиками, аденозинтрифосфатазами (АТФ-азами), своеобразными носильщиками, которые для поддержания своих сил используют энергию гидролиза АТФ. Вот тебе общая схема этого процесса транспортировки:

 Рисунок 1

Диффузия

- Диффузия - это процесс, при помощи которого газ или растворенные в растворителе вещества распространяются и постепенно заполняют все доступное пространство.

- А молекулы и ионы, растворенные в жидкости внеклеточного пространства, находятся в хаотическом движении. Естественно, двигаясь, они сталкиваются как между собой, так и со стенками мембраны клетки. Часть столкнувшихся с мембраной молекул отскакивает от нее, а часть все же проникает сквозь мембрану в цитоплазму клетки. В случае, когда вероятность проникновения сквозь мембрану высока, можно говорить, что мембрана проницаема для данного вещества.

Теперь переходим к рассмотрению самой мембраны и транспорта веществ через её очень узкие поры. Средний диаметр пор равен 0.7 – 0.8 нанометров. Также мы знаем, что концентрация веществ в клетке и вне клетки различна. Естественно, возникает поток частиц, направленный из более концентрированного раствора в менее концентрированный. И диффузия происходит до тех пор, пока концентрация в обоих пространствах не станет одинаковой. Это – физика. Логично также понять, что скорость диффузии возрастает с увеличением площади поверхности, через которую она осуществляется.

- Чем больше пор, тем выше скорость перемещения частиц?

- Также имеет значение размер молекул. Большие молекулы диффундируют медленнее малых. Также имеет значение и вязкость жидкости, но о вязкости – разговор впереди. Пока достаточно знать, что скорость проникновения различных веществ в клетку уменьшается по мере увеличения числа полярных групп в их молекулах.

- Чем толще тело, тем сложнее протиснуться в щель забора?

- Да. И Клетка разумно использует этот механизм. Изменяя лишь размеры молекул конечных продуктов обмена, она способна создавать условия, необходимые для выделения или запасания веществ.

- Своеобразный контроль входа и выхода?

- Да. Это удобный механизм регулировки обмена с внешней средой. Обмена через Мембрану.

- Наверное, есть в Мембране специальные ворота для таких перемещений?

- Есть. Кинки и поры

- Два типа ворот?

- Да. Нужно знать, что поры (лат. – poros, проход, отверстие)   – это всегда открытые ворота для гидрофильных (лат. – hydor, вода, влага, + phileo, люблю, любящий растворение) веществ.

- Хорошо растворимых в воде?

- Да. Хорошо растворимые в воде гидрофильные вещества проникают внутрь клетки через поры. А вот гидрофобные (лат. – phobos, страх, боящийся растворения), сложно растворимые или же вовсе не растворимые в воде вещества – легко растворяются в жирах, и проникают внутрь клетки благодаря растворению в липидах мембраны. А еще растворимые в липидах молекулы проникают в клетку с большой скоростью.

- Это означает, что в определенных условиях эти молекулы свободно диффундируют через плазматическую мембрану?

- И это свойство липидов переносить важные молекулы внутрь клетки полезно использовать в оздоровлении людей. Натуральные масла, в которых сконцентрировано много полезных веществ – прекрасное средство для массажа. А главное - для насыщения клеток полезными веществами, крайне необходимыми для обеспечения их нормальной жизнедеятельности.

- А где кинки? Чем они особенны?

- Кинки – это временные дефекты углеводородной области мембраны, через которые, как через дырки в заборе, проникают внутрь клетки вода и растворенные в ней вещества.

- Значит, есть ворота – поры, как постоянные каналы транспорта, кинки – как временные щели для проникновения, и липидные каналы мембраны, через которые транспортируются внутрь клетки нерастворимые в воде вещества…

- А ещё – есть осмотические силы, которые помогают транспорту веществ. Но об этом поговорим в следующий раз.

 

Осмос

-  Осмотические силы?

- Естественное стремление природы к уравновешиванию.

Клетка сжимается, когда концентрация вещества внутри клетки ниже, чем в окружающей среде. А вот если концентрация растворенного вещества в клетке становится выше, чем в окружающей среде, то клетка начинает всасывать воду.

- И увеличиваться?

- Да. Это и есть влияние осмотических сил. А сам осмос – это и есть процесс перемещения молекул воды из области меньшей в область большей концентрации растворённого вещества. Осмотическое давление является величиной, характеризующей силу этого стремления.

- Осмос – это сам процесс, а причина этого процесса - осмотические силы?

- Осмотическое давление - это то наименьшее давление, которое нужно приложить к раствору для того, чтобы процесс диффузии прекратился. Но сам понимаешь, что специально на клетку давить никто не будет. Ты должен знать, что осмотическое давление позволяет количественно оценить свойственное молекулам растворителя стремление «перебежать» из объема А в объем Б.

- Если все так сложно, тогда зачем вообще вводить это понятие осмотического давления?

-  Я уже сказал – для исследований. В дальнейшем мы более подробно будем рассматривать это явление. Не торопись. Как нам понять происходящие процессы, если не исследовать и не постигать их смысл? Но торопиться – нельзя!

- А смысл Единой теории поля? – Где этот смысл в понимании диффузии и осмоса?

- Где смысл? Думай. Движение молекул обусловлено разностью химических потенциалов (лат. – potentia, сила, мощь) и естественным стремлением выровнять эти потенциалы, достигнуть равновесия. А когда какое-либо вещество растворяется, как следствие - химический потенциал растворителя уменьшается.

- Как количество топлива в баке движущегося автомобиля?

- Или как заряд мобильного телефона при разговорах. Чем больше мы говорили, тем меньше стал заряд батареи питания. Точно так же и с веществами: где концентрация растворимого вещества выше – там  химический потенциал растворителя ниже…

- А где здесь Единая теория поля?

- Отношение кинетической и потенциальной энергий, друг мой. Если увеличивается кинетическая – уменьшается потенциальная, и наоборот. Градация (лат. – gradatio, постепенное повышение, ступень) веществ… Ниже концентрация – больший потенциал энергии, выше концентрация – меньший потенциал энергии…

- Прямо как в гомеопатии: чем ниже концентрация действующего вещества – тем сильнее эффект.

- Вот тебе пример: сделай из своего смартфона пять фото одного и того же предмета. Затем наложи в компьютере эти снимки друг на друга. Что будет? Будет ли изображение отчетливым?

- Думаю, отчетливость потеряется при наложении, ведь рука с фотоаппаратом немного могла сдвигаться.

- Вот так и в природе. Одно изображение – четче чем наложение… Еще пример из области работы мозга. Память. Можно учить стих, многократно повторяя.

- Зазубривая.

- Да. Накладывая фото на фото, слово на слово в мозгу… Но что происходит? – Чем больше мы будем повторять одно и то же слово, тем его эмоциональная составляющая будет размываться и ослабевать… Так мы заучим, сможем тупо повторить, но будет ли сила проникновения и понимания??? – Не будет…

- А как лучше учить стих?

- Один раз в день его прочесть, но сделать это с толком, чувством и расстановкой! Тогда сила этой информации будет большей, и через несколько дней прочтения ты хорошо и глубоко будешь знать этот стих… Знать его глубину и истинное содержание…

- Это способ усвоения всего-всего?

- Да, и в основе этого – физика и математика, Единая теория поля. И это уже практическая сторона понимания этой теории поля. Будешь тридцать раз подряд повторять стих – зазубришь, но по настоящему знать и понимать его не будешь… А повторишь один раз в день, но прилежно вникнув в суть написанного – и он глубоко войдет в мозг и чувства твои…

- Да, необычно осмос мы связали с нашей памятью и гомеопатией.

- Вот тебе и значение понимания Теории поля. Это Ключ, который способен открывать любые потайные двери мира Знаний…

- И для этого всё это нужно знать? Знать этот Ключ, способ его применения?

- Чтобы легче понимать, как происходит регуляция водного баланса между клеткой и окружающей средой. Все в мире переходит из минуса в плюс и обратно. Из кинетического состояния в потенциальное. Мы с тобой расширяемся, вдыхая воздух, и сужаемся, выдыхая. Так и клетка дышит, меняя своё осмотическое давление.

- Впуская или выпуская воду с растворенными в ней веществами?

- Верно. А поскольку среда, окружающая большинство клеток, гипотонична, имеет более низкое осмотическое давление, чем содержимое клетки, насыщенная водой, то для клеток важно защитится от «лишней» воды. Поддержание же постоянства своего объема требует энергии, потому в самой клетке концентрация веществ, неспособных к диффузии ( нуклеиновые кислоты, белки и др.) выше, чем в околоклеточной среде. Плюс накопление метаболитов.

- Продуктов жизнедеятельности как отходов?

- Да, накопление этих недиффундирующих веществ – это беда для клетки. Прежде всего – нарушается её осмотическое равновесие. Для удержания этого равновесия требуется дополнительная энергия… Клетка ослабевает…

- И что тогда?

- И тогда возможна беда, если…

- Если что? И что за беда?

- Беда – нарушение внутреннего синтеза и неуправляемый рост клетки, попросту говоря опухоль. А «если» - это эластичность плазматической мембраны. Где синтезируются мембраны и как это происходит – до сих пор не выяснено. Некоторые клетки строят свои мембраны из пузытьков, имеющихся в цитоплазме. В других клетках рост мембраны происходит путем прямого включения в нее соответствующих молекул под влиянием сил, действующих у поверхности раздела между цитоплазмой и окружающей клетку средой. Все это очень сложно… Если мембрана здорова – она способна сама создать гидростатическое давление, которое будет препятствовать поступлению лишней воды внутрь. В норме, при наличии разности гидростатических давлений вне и внутри клетки, вода фильтруется через поры барьера.

- Фильтрация?

- Да. Элементарная фильтрация через специальные поры. А ещё – принудительная откачка лишнего из клетки в интерстиций. Притом, это либо откачка во вне своих же компонентов через натриевые насосы, либо откачка самой воды.

- Натриевые насосы? Это что такое?

- Об этом разговор впереди. Сейчас мы рассматриваем явление осмоса. И, делая выводы, можем сказать так: если клетка не имеет жесткой непроницаемой оболочки, то её объём определяется тремя факторами:

1. Количеством находящихся внутри и неспособных к транспортировке через стенки мембраны веществ.

2. Концентрацией в интерстиции веществ, способных проникать через стенки мембраны внутрь клетки.

3. Возможностью клетки оперативно как пропускать в себя, так и откачивать из себя проницаемые через мембрану вещества.

- Ага! Все же как важна функция мембраны, её эластичность и способность управлять входом и выходом компонентов…

- Таки, да… О чем нам это говорит? – О том, что мембрана нуждается в эластичности… А эластичность мембраны – это липиды… Жирные кислоты…

- Нужно принимать их как пищу?

- И с пищей, и через поры кожи при массаже, применяя натуральные растительные масла, друг мой…

- И тогда клетки будут здоровы?

- Пример -  кровеносные сосуды. Если они здоровы, стенки их эластичны (а стенки - это тоже клетки с эластичными мембранами), то реакцией на повышение кровяного давления будет безвредное и безболезненное расширение сосудов. Если же они зашлакованы, то беспрепятственно растягиваться не смогут, и в результате будет боль –  в лучшем случае, а в худшем – инсульт или инфаркт!

- Это плохо…

- Да, плохо. Потому следует заботиться о мембранах наших клеток, системно питая их природными жирными кислотами…

 

Диффузия ионов

- Ионы диффундируют через ионные каналы (белковые структуры мембран), когда они в открытом состоянии. Эти каналы бывают нескольких типов: натриевые, калиевые, кальциевые, натрий-кальциевые и хлорные.

- И через них свободно проникают ионы?

- Не совсем свободно. Это – не простая диффузия. Потому что каналы могут быть открыты, закрыты или инактивированы.

- Что управляет состоянием каналов?

- Изменение разности потенциалов на мембране, а также взаимодействие активных веществ с рецепторами. Потому каналы подразделяются на два типа: потенциал-зависимые и рецептор-управляемые.

- И снова – дихотомия?

- Дихотомия (гр. – dichotomia, dicha, на две части, tome, сечение) как понятие имеет несколько значений. Это прежде всего последовательное деление целого на две части, затем каждой части снова на две и т.д. У растений это вильчатое ветвление всей особи или какого-либо ее элемента на две части без продолжения главной оси. Это древний способ ветвления побегов, присущий немногим современным высшим растениям.

- Чем дальше в древность, тем более проявлено?

- Так и есть. Дихотомическое жилкование листа (раздвоение жилок первого порядка на одинаковые жилки следующего порядка) считается древним типом жилкования.

- Растения древнее животных, потому и дихотомия древних растений более показательна?

- Как и деление клетки на две дочерние. Потому я и прошу тебя хорошо вникнуть в это явление и применять его при изучении живых организмов. Да и не только организмов. В астрономии дихотомия – это деление диска Луны или диска планеты терминатором, ставшим прямой линией, разделяющей освещенную и затемненную стороны. Как видишь, дихотомия – важное понятие.

 

Облегченная диффузия

- Обычная диффузия?

- Не обычная, а облегченная. При обычной диффузии, а мы называем её простой,  внутрь клетки кроме воды и ионов проникают также многие другие вещества. Например, этанол и различные другие лекарственные вещества. Зато полярные молекулы практически не проникают через мембрану за счет простой диффузии.

- Полярные молекулы – это какие вещества?

- Гликоли, моносахариды и аминокислоты. И именно их транспортировка осуществляется путем облегченной диффузии. Что такое облегченная диффузия? Это переправка веществ сквозь мембрану по градиенту его концентрации и при содействии особых белковых молекул-переносчиков.

- Это подобно как через пропускной пункт можно пройти только вместе с сопровождающим служащим?

- Можно и так сказать. Притом количество переносчиков внутри клетки ограничено, потому они могут провести внутрь клетки только определенное количество веществ. Не больше, чем количество переносчиков. Это называется явлением насыщения. Есть также такое понятие, как явление конкуренции.

- Борьба веществ за переносчика?

- Да. Вне пункта пропуска много людей будут ожидать служащего, который их лично проведет в нужный кабинет, - так вещества, подобные по строению, конкурируют за прикрепление к белку-переносчику. Вот такое оно, явление конкуренции… Веществ вне клетки много, а внутрь проникнут только те, которые нужны, и ровно столько, сколько нужно. Так природа регулирует порядок внутри клетки.

А ещё следует знать, что и пункты пропуска бывают трёх видов. Первый – это унипорт. Это когда молекулы следуют внутрь независимо, друг за другом, по одной дорожке. Второй вид – симпорт, где независимо могут проходить несколько веществ с их проводниками. И третий тип пропуска, это - антипорт. Через него вещества одновременно движутся как внутрь клетки, так и на выход из неё.

- Сложновато…

- В детали углубляться нам пока не следует. Процесс действительно очень сложный. Тем более, что природа белков-переносчиков пока нам, физиологам, неизвестна до конца… Знаем только, что переносчики делятся на два типа: одни движутся через пункты пропуска, перенося вещества, а другие – внедряются в мембрану в любом месте и создают канал проникновения.

- Одни идут через ворота и калитки, а другие – через дырки в заборе?

- Как-то так… Да, большинство клеток обладают системой облегченной диффузии, но перечень переносимых этим способом веществ невелик. В основном это сахара, аминокислоты и некоторые ионы. Это те вещества, которые попадают в организм из окружающей среды. Соединения, являющиеся промежуточными продуктами обмена, не переносятся через мембрану при помощи этой системы.

- Пища для клеток?

- Да, пища. Обрати внимание на роль переносчиков. Клетка имеет их количественно столько, сколько ей нужно получать определенных веществ. Это своеобразная миграционная служба, контролирующая стабильность, порядок внутри клетки.

- Переводя через пункты пропуска и  доставляя вещества в нужные места?

- Именно так. Притом при помощи явления диффузии, по градиенту концентрации.

- А если нужно протащить вещества из среды низкой концентрации в среду с более высокой концентрацией, диффузия ведь не позволит?

- Диффузия не позволит. Но, плыть против течения можно!

- Используя дополнительную силу?

- Да! Это уже активный транспорт. И о нём разговор впереди.

 

Активный транспорт

- Мы уже знаем, что простая диффузия веществ, входящих и выходящих из клетки, происходит благодаря явлению осмоса. Также знаем, что существуют в мембране клетки ионные каналы для перемещения ионов. Знаем и об облегченной диффузии, при которой перенос веществ осуществляется специфическими переносчиками. Но все эти виды транспортировок происходят за счет осмотических влияний.

- А если необходимо транспортировать вещества из среды низкой концентрации в среду с более высокой концентрацией веществ, что тогда?

- Тогда нужна дополнительная энергия.

- Это, как плыть против течения? Нужно поработать руками?

- Да, так и в случае с транспортом веществ против градиента: нужна энергия. В данном случае – энергия гидролиза АТФ.

Такой транспорт назван первично активным. Он осуществляется транспортными АТФ-азами, которые называют еще ионными насосами.

- Мы знаем ионные каналы, а теперь появились ионные насосы?

- Верно. Существует два типа ионных насосов. Первый – натриевый насос, и он перемещает Na и  K. Второй тип – кальциевый насос, который переносит ионы кальция, Са…

- Наверное, это самые сложные механизмы…

-Так и есть, но я попробую тебе объяснить работу этих насосов на простом примере. Помнишь, мы сравнивали мембрану с забором, а цитоплазму с двором? Так вот, представь себе Калитку во двор. Это будет натриевый насос. Человек идет по улице, подходит к Калитке, обувает две калоши – и входит во двор. Человек у нас – интегральный белок плазматической мембраны, встроенный в нее. Две калоши – это два иона калия. Он вошел во двор и внес две калоши.

- То есть, интегральный белок, встроенный в мембрану, перенес внутрь клетки два иона калия.

- И отпустил их, оставил калоши во дворе. А затем он здесь же, во дворе, надел две варежки и шапку. А значит, интегральный белок присоединил к себе три иона натрия. Процесс «переодевания» называется конфронтацией фермента. Это изменение конфигурации одной и той же молекулы. Это будет первая конфронтация, и назовем её Е1.

Следует заметить, что это «одевание» происходит внутри клетки с использованием энергии АТФ.

- Потому и активный транспорт?

- Верно. Итак, человек снова через Калитку выходит со двора на улицу.

- Это значит, что белок выносит во внеклеточное пространство натрий?

- Да. На улице человек снимает варежки и шапку, и оставляет их там. А затем надевает две другие калоши. Этот процесс называется конфронтацией Е2. И это повторяется бесконечно…

- Белок из цитоплазмы уносит три иона натрия, а внутрь заносит два иона калия?

- Этот цикл постоянно повторяется. Такой ионный насос называется электрогенным, так как возникает чистый ток положительных зарядов из клетки. Это исходящий ток.

- Кальциевый насос работает так же?

- Не совсем. У кальциевого насоса своя особенность: циклическое изменение сродства к переносимому иону. Прежде всего нужно знать, что кальциевый насос находится в саркоплазматическом ретикулуле, в его мембране. А этот ретикулум – встроен в скелетную мышцу. Основная функция этого процесса – регуляция концентрации Са2+ в цитоплазме.

- А для чего нужна эта регуляция?

- Чтобы мышца отдыхала, для содержания ее в спокойном состоянии. Потому что в состоянии покоя Са2+ в цитоплазме мышечных волокон должно быть мало, т.е. низкая концентрация.

- И куда его перекачивает кальциевый насос?

- А перекачивает он его – во внутриклеточное пространство эндоплазматического ретикулума.Процесс этот выглядит так:

Когда в цитоплазме скелетного мышечного волокна присутствует АТФ и Са2+, происходит фосфорилирование Са2+ - АТФ-азы и присоединение Са2+ к кальций-связываемому участку на теле фермента.

- Это очередной человечек, переносящий калоши или варежки?

- На этот раз наш человечек носит груз только в одну сторону, только из цитоплазмы в ретикулум. А значит, когда под действием АТФ Са2+ присоединился к ферменту переносчику, он обретает конфигурацию Е1 и меняет своё ориентирование: переходит из цитоплазмы в ретикулум.

- Человечек переносит через дверь груз в какой-нибудь чуланчик?

- Пусть так. И уже в этом чуланчике он кладет свой груз на полку. Так фермент, занеся Са2+ в ретикулум, отпускает его, становясь в конфронтацию Е2.

- А дальше?

- Дальше он уже без груза, что значит фермент уже дефосфорилировался и готов переместиться обратно в мембрану.

- Готов, но не спешит?

- Не спешит, и для того, чтобы он ушёл из помещения и принёс новый груз, его нужно подстимулировать.

- Внешним стимулом?

- Да. Стимулом для возврата кальций-связывающего участка обратно в цитоплазму является присутствие в саркоплазматическом ретикулуме ионов магния.

- Это тоже повторяющийся цикл?

- Да. Как и в случае с натриевым насосом. Так что эти два насоса постоянно «качают» ионы, перенося их из одной области в другую.

- Притом, из области малой концентрации в область большей концентрации, верно?

- Верно. Для того их и создала Природа…

- Да, но вот вопросик. Насосы откачивают натрий и кальций из цитоплазмы, а как этим ионам снова попасть обратно в цитоплазму?

- Хороший вопрос. И мы уже знаем, что есть простая диффузия веществ. А также есть облегченная диффузия ионов Na+ , K+, Cl-, Lі+, Ca2+, HCO3- и  H+. Но! Есть ещё явление вторичного активного транспорта.

- А это что такое?

- Это уже принцип Единой теории поля. Если есть насосы, которые используют энергию АТФ для выведения ионов из цитоплазмы, то должна быть и «анти»-сила, которая всасывает ионы внутрь.

- Как движения маятника? Снова кинетическая и потенциальная энергия?

- Да. Работа симпорта и антипорта как энергоотражение работы кальциевого и натриевого насосов.

- Симпорт?

- В клетках слизистой оболочки, например, есть белок, который переносит глюкозу и Na+ внутрь эпителиоцитов. Притом, этот процесс возможен только параллельно с процессом работы натриевого насоса.

- Когда три иона Na+ выносятся из клетки?

- Да. Так работает этот механизм зеркального обмена.

- А антипорт?

- В кардиомиоцитах и гладкомышечных клетках, где работает кальциевый насос. Параллельно с работой кальциевого насоса происходит противонаправленный перенос через антипорт, в ходе которого Na+ попадает в цитоплазму, а Са2+ выводится из неё. Причем, этот процесс происходит за счет энергии концентрационного градиента ионов натрия.

 А еще вторичный активный транспорт важен для работы головного мозга, где работа натриевого насоса сопутствует обратному поглощению медиаторов.

- Медиаторы?

- Об этом разговор впереди. Есть еще один важный элемент в транспорте веществ – белок-обменник. Он меняет внеклеточные ионы  Na+ на внутриклеточные протоны Н+. Этот обмен поддерживает постоянство внутриклеточного pН. Постоянство это обеспечивается скоростью всеобщего, совокупного вторичного транспорта для выравнивания скорости ионного натриевого насоса, т.е. активного транспорта.

- Снова Единая теория поля?

- Да, стремление к равновесию. Есть активный первичный транспорт, который создает определенное энергетическое состояние клетки. Также есть и вторичный активный транспорт, который стремиться уравновесить энергию, производимую первичным активным транспортом.

- Муж и жена? Потенциальная и кинетическая составляюшая?

- Муж и жена - одна сатана, так говорят в народе. Так и энергия внутри клетки стремится к гармонии, к равновесию, к стабильному pН состоянию, друг мой.

 

Состояния биосистем

- Биосистема… Вот мы и подошли уже к независимым системам и их функционированию, непосредственно к предмету физиологии.

- Биосистема – это целостная система, способная к самостоятельному существованию?

- Да. Клетка – это первая независимая система, которая способна к самостоятельному существованию?

- Да. Клетка – это первая независимая система, которая способна самостоятельно существовать: делиться, развиваться, снова делиться. Далее – более сложная система – ткани. Еще более сложная – органы с их системами и, наконец, сам организм. Но,  есть у всех биосистем первое общее свойство: находиться в двух состояниях, в активном и в покое.

- Снова дихотомия?

- Да, снова дихотомия. Покой и активность живой биосистемы.

- Мы стоим на остановке и ждем автобус. Это покой? А наше движение внутрь подошедшего автобуса – ато активность?

- Совершенно верно. Хотя, как ты понимаешь, ожидание автобуса, это тоже не совсем уж и покой… Мы стоим неподвижно, по стойке «смирно», а сердце - бьется, легкие дышат, кишечник работает…

- Значит, состояние покоя относительно?

- Да. В природе состояние покоя всегда относительно. Так и клетка, находясь в  видимом неподвижном состоянии, на самом деле внутри себя имеет множество действующих процессов… Но, условно мы определяем у всех биосистем эти два состояния: покой и активность. Притом, активность также имеет свои два состояния: раздражимость и возбудимость.

- Снова дихотомия?

- Она самая. Раздражение – это реакция на внешний мир, на постоянно меняющиеся внешние условия. Организм под воздействием внешних условий меняет свои физико-химические и физиологические свойства. Подобно тому, как мы меняем одежду в зависимости от того, какая погода на улице и что мы собираемся там, на улице, делать…

- Это рефлексы?

- Можно и так определить. Это те состояния, которые выходят за рамки состояния покоя, но не вызывают шок, не напрягают биосистему.

- А если все-таки шок? Если стрессовая ситуация? – Если в автобусе наступили на ногу?

- Тогда биосистема возбуждается и проявляет это возбуждение. Это уже проявление специфических функций, которые служат для самозащиты биосистемы в возникающих опасных и непредвиденных ситуациях.

- Убрать ногу, чтобы тебе не отдавили палец?

- Да, биосистема производит резкое движение телом, чтобы освободить ногу из-под внешнего и угрожающего давления.

- В принципе и раздражительность, и возбудимость – суть одно явление ответа на действие внешней среды. Но – все же есть разница. Возбудимость имеет более позднее филогенетическое происхождение, а также более жесткую и резкую форму реагирования на внешний раздражитель, нежели раздражение. Потому является, как принято говорить, высшим проявлением более общего свойства раздражимости биосистем.

- Чем ближе к нам по времени, тем выше по уровню сложности?

- Да. Это тоже отношение Кинетической и Потенциальной энергии… Это, как кора мозга и подкорка. Кора мозга – более позднее филогенетическое образование, потому считается зоной возбудимости и нашего эго, личного опыта. Подкорка же – более раннее филогенетическое образование, и потому считается зоной глубоких рефлексов, зоной контроля раздражимости, а также отвечает за наши родовые, передаваемые от прародителей способы реагирования на внешние воздействия.

- Как два полушария мозга?

- Да, снова видим дихотомию: левое и правое полушария мозга. А также еще одну дихотомию: каждое полушарие имеет кору и подкорку…

- Интересно.

- Интересно, но пока достаточно. Нужно более детально рассмотреть процесс раздражения.

 

Раздражение и раздражители

- Ты приходишь ко мне за знаниями и задаешь вопросы. И твои вопросы мы можем назвать процессом раздражения.

- Процесс воздействия на живую систему внешних факторов?

- Верно. А сам фактор принято называть раздражителем. Твой вопрос – это физический раздражитель. Существуют также и химические раздражители. Например, если ты пришел ко мне в жаркую погоду и от тебя немножко пахнет потом…

- Снова дихотомия? – Химические и физические воздействия на живую систему?

- Механические воздействия, электрические поля, волновые облучения и электроток – все это физические раздражители. А газы и химические соединения – это химические раздражители. Теперь следующая дихотомия: адекватные и неадекватные раздражители.

- Какие между ними отличия?

- Если твой вопрос обычный, привычный и часто повторяющийся – это будет адекватным раздражителем.

- Приспособлен в процессе эволюции, то есть временем нашего с Вами общения?

- Мыслишь верно. Но если ты не слышишь ответ, не пытаешься понять, а снова и снова задаешь один и тот же вопрос – это начинает раздражать. Я начну внутренне напрягаться, что значит, ты начал вызывать в моем мозге возбуждение энергий.

Это – неадекватный раздражитель. Ведь, задав вопрос первый раз – ты не вызвал моего возбуждения. Но, если ты одно и то же повторяешь многократно, усиливая воздействие на мою психику, я начинаю злиться!

- Теперь понятно, не злитесь, Учитель.

- Не злюсь и иду дальше. Сила раздражения…

Условно, есть определенное количество раз повторенного вопроса, которое меня не раздражает. Назовем это порогом возбуждения. Первые вопросы, которые не вывели меня из состояния покоя – это подпороговые возбуждения.

- Минимальная сила, необходимая для выведения системы из равновесия – это порог. А то, что ниже – подпорог. Дихотомия.

- Но есть и тот момент, когда ты меня «достанешь», и я просто уйду. Это – максимальная сила раздражения. Теперь снова дихотомия: порог и максимум.

- Момент, когда Вы начали злиться на меня, и момент, когда махнули на меня рукой и ушли?

- Вот сейчас ты меня не раздражаешь. Правильно. Когда я злюсь, от начала и до момента прекращения разговора – это субмаксимальное раздражение. А после максимума, когда я махнул и ушел – это уже называется супермаксимальное раздражение.

- Понятно. Когда я Вас еще не разозлил, это подпороговый раздражитель. Когда Вы начинаете злиться – это порог. Дальше я Вас раздражаю следующими вопросами, субмаксимальными раздражителями. Вы махнули рукой и ушли. Это – максимальный раздражитель.

- Нет, этап. Максимальный раздражитель, это тот вопрос, от которого я умолк, и перестал раздражаться. А мой уход – это действие твоего нежелания услышать ответ, и моя реакция через уход – это супермаксимальный раздражитель.

- Подпорог – порог – субмаксимум – максимум - супермаксимум.

- И Закон силы раздражения: чем сильнее раздражение, тем, до известных пределов (до максимума) сильнее и ответная реакция, друг мой. Помнишь Паниковского, который устроил психическую атаку на гражданина Корейко?

- «Дай миллион»?

- Этот сюжет из незабвенного и по сей день актуального произведения Ильфа и Петрова, - замечательный образец для рассмотрения нашего с тобой Закона раздражения.

Итак, Паниковский идет рядом с Корейко и настойчиво повторяет: «дай миллион».

- Корейко спокоен. Идет дальше. Паниковский усиливает тембр голоса и еще настойчивее продолжает требовать миллион. Скорость роста во времени силы возбуждения - называют градиентом возбуждения.

- Паниковский усиливает звучание голоса видя, что прежнее не раздражает Корейко?

- Да. Повышает градиент возбуждения.

- И Корейко проявляет нервозность?

- Да. Определился его первый порог возбуждения. В первый день Паниковский быстро отстал. Но на следующий день повторил акт психической атаки. На этот раз Корейко легче воспринял фразу «Дай миллион», ибо уже знал, что через некоторое время Паниковский отстанет. Для того, чтобы покрепче «достать» Корейко, Паниковскому пришлось еще более энергично произносить свое требование. И на определенном этапе Корейко все же напрягся. Но, как возросла сила психической атаки, ровно так же и возрос порог возбуждения у оппонента.

Повышение порога возбуждения называется аккомодацией. Реакция гражданина Корейко на усиление требования дать миллион зависит от градиента возбуждения – это называется Законом градиента.

- Реакция системы, в нашем случае Корейко, зависит от градиента возбуждения, в нашем случае - психическая атака Паниковского.

- Верно, это и есть Закон градиента. Притом, усиление психической атаки на второй день – это называется активационным процессом. А вот защитная реакция Корейко и повышения уровня порога возбуждения называется инактивационным процессом.

- Все понятно. Пример замечательный!

- Следует также знать еще два термина этого процесса: интервал и волны возбуждения. Ведь, как активационный процесс имеет свою скорость, так и инактивационный процесс тоже имеет свою скорость. Притом эти скорости обычно различны. Паниковский усиливал свое воздействие на Корейко с определенной скоростью. Интервал возбуждения – это временная длительность процесса возбуждения, когда Корейко терпел домогательства до момента, когда разозлился и убежал.

Также есть волна возбуждения: это количество повторений фразы «дай миллион» за единицу времени. Например, за минуту.

Вот, вроде, все рассказал тебе о законах раздражения и о функциональной подвижности системы.

- Все так просто, когда есть доступная форма объяснения…

- Когда учитель сам понимает материал, то без труда может передать это понимание и своему ученику, друг мой…

 

Мембранный потенциал покоя

- Мембранный потенциал покоя, МПП (или ПП) – это разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны у покоящейся Клетки. Наружная сторона мембраны заряжена положительно.  А внутренняя сторона мембраны по отношению к наружной стороне заряжена отрицательно.

- Плюс и минус? Снова противоположность?

- Как и во всем. А еще МПП зависит от вида ткани и варьирует от -9 до -100мв. Почему? – Принимая потенциал наружного раствора за «0», МПП записывают со знаком «–».

В состоянии покоя мембрана – поляризована.

Уменьшение величины МПП – деполяризация.

Увеличение величины МПП – гиперполяризация.

Восстановление исходного значения – реполяризация.

 

Основные положения мембранной теории происхождения МПП

- В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема

для ионов К+ ( в ряде клеток для Сl-), менее проницаема для Na+, непроницаема для внутриклеточных белков и других органических ионов.

Итак: К+ диффундирует из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности потенциалов через мембрану.

- Борьба противоположностей, вызывающая напряжение?

- Потому возникшая разность потенциалов препятствует выходу К+ из клетки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К+ из клетки и входом этих катионов по возрастающему электрическому градиенту. Потенциал, при котором достигается это равновесие, называют равновесным потенциалом. Существует специальное уравнение Нериста, по которому рассчитывают величину этого потенциала, но нам для общего понимания достаточно понимать саму суть процесса. Потому на уравнении Нериста останавливаться не будем.

Но зато теперь мы ясно видим основных участников данного процесса: клетка поглощает Na+ и теряет К+. Для уравновешивания процесса существует натриевый насос, который, как нам известно, выносит из клетки Na+ и вносит обратно К+, поддерживая постоянство концентраций этих ионов в клетке. Также мы знаем, что натриевый насос не только поддерживает это равновесие, но еще и вырабатывает свой ток. Электрогенность натриевого насоса была выявлена в опытах на гигантских нейтронах моллюска. Эти опыты показали, что реально существует две компоненты МПП: ионная и метаболическая.

- И снова пара.

- Ионная – зависит от концентрационных градиентов ионов и мембранных проницаемостей для них. Метаболическая – обусловлена активным транспортом натрия и калия. С одной стороны натриевый насос поддерживает концентрационные градиенты между цитоплазмой и внешней средой. С другой стороны, будучи электрогенным, оказывает прямое влияние на МПП.

- Это как аккумулятор в автомобиле и генератор?

- Генератор – это натриевый насос, а аккумулятор – это ионная компонента.

 

Мембранный потенциал действия

- На нерв или мышцу наносим раздражение выше порога возбуждения. МПП мышцы или нерва быстро уменьшится и на милисекунду произойдет перезарядка мембраны!

- Ее внутренняя сторона станет заряженной положительно относительно наружной?

- Это кратковременное изменение МПП, происходящее при возбуждении клетки, называется мембранным потенциалом действия (МПД).

- Как это происходит?

- Во время МПД увеличивается проницаемость мембраны для ионов натрия, что связано с открыванием потенциал-зависимых натриевых каналов и обеспечивает появление направленного внутрь потока положительных зарядов – ионов натрия. Это ведет к дальнейшей деполяризации мембраны, что увеличивает число открываемых натриевых каналов и еще более повышает натриевую проницаемость мембраны. Возникает «регенеративная» деполяризация мембраны, в результате которой потенциал внутренней стороны мембраны стремится достичь величины натриевого равновесного потенциала.

- Проще сказать так: уменьшается сила, вталкивающая натрий внутрь клетки?

- Также закрываются натриевые каналы. Также деполяризация мембраны увеличивает ее проницаемость для ионов калия. Уменьшается величина входящего натриевого тока, и в какой-то момент она сравнивается с возросшим исходящим током – и рост МПД прекращается. Когда же исходящий ток превышает входящий - начинается реполяризация мембраны. В следствие чего может развиться гиперполяризация или деполяризация.

Также с инактивацией натриевых каналов связано важное свойство нервного волокна – рефрактерность.

- Это период, в котором нервное волокно не реагирует на раздражитель?

- Абсолютно не реагирует. Это абсолютная рефрактерность.

- А есть и относительная рефрактерность?

- Да, где возникает более высокий порог возникновения МПД.

Теперь мы можем глубже понимать явление аккомодации.

- Это повышение порога возбуждения, что связано и инактивацией (закрытием) натриевых каналов?

- Повышенная калиевая проницаемость приводит к падению сопротивления мембраны! А через снижение ее сопротивления скорость деполяризации мембраны становится еще медленнее.

- Своеобразная заторможенность?

- Скорость аккомодации тем выше, чем большее число натриевых каналов при потенциале покоя находится в инактивированном, закрытом состоянии. А также - чем выше скорость развития инактивации. И еще - чем выше калиевая проницаемость мембраны.

 

Проведение возбуждения

- Проведение возбуждения по нервному волокну осуществляется за счет локальных токов между возбужденным и спокойным участками мембраны.

- Нанесение точечного раздражения?

- И в этом месте раздражения возникает потенциал действия.

В этом  раздражаемом месте внутренняя сторона мембраны оказывается заряженной положительно по отношению к соседней, спокойной. А далее между точками волокна, имеющими различный потенциал, возникает локальный ток, направленный от возбужденного (+) на внутренней стороне мембраны к невозбужденному (–) на на той же внутренней стороне мембраны. Этот ток оказывает деполяризующее влияние на мембрану волокна в спокойном участке и при достижении критического уровня деполяризации мембраны в данном участке возникает МПД.

- И этот процесс последовательно распространяется по всем участкам нервного волокна?

- Это и есть волна возбуждения, нервный импульс… Уникальное явление природы, благодаря которому происходит Движение и сама Жизнь во Вселенной…

- Волна или импульс???

- Разумный вопрос! Действительно, волна – это понятие линейное, кинетическое, Энергия кинетическая. Импульс - понятие точечное, потенциальное, Энергия потенциальная.

- Единая теория поля?

- Вот об этом нам теперь и стоит поговорить, Друг мой. /Смотри дальше в разделе/

В работе использованы материалы из учебника для вузов «Основы физиологии человека» под редакцией академика РАМН Б.И. Ткаченко, Международный фонд истории науки, 1994, Санкт-Петербург.

Автор – Сергей Гриневич

Редактор – Валентина Деревянко, кандидат биологических наук.

Следующие книги серии «Мир Человека»:

4 Основы Теории Поля

5 Внутренняя среда Организма, часть 2

6 Основы регуляции Жизнедеятельности

7 Мышцы и Кости

8 Эндокринные функции

9 Кровь

10 Кровообращение и Лимфообращение

11 Дыхание

12 Пищеварение

13 Обмен веществ и энергии

14 Тепловой и водно-солевой обмен. Почки

15 Кислотно-щелочное состояние Организма

16 Центральная нервная система

17 Функции сенсорных систем

18 Функции головного мозга

19 Организм в развитии

20 Репродуктивная функция

21 Старение

22 Адаптация к внешней среде и биоритмы

23 Экстремальные состояния

24 Здоровый образ жизни

25 Светила Физиологии

Левое полушарие мозга:

26 Беседы с Шопенгауэром

27 Работа мозга и Кибернетика

28 Беседы с Ницше

Правое полушарие мозга:

29 Беседы с Доном Хуаном

30 Ноосфера и Астрология

Медицина:

31 Абу Али Ибн Сино

Человек:

32 Серафимка и Медведь

 

Если Вы заинтересованы в том, чтобы Автор здравствовал и подавал для Вас новые, интересные и полезные книги - тогда будьте Благодарны и сделайте свой ВЗНОС в эту процессию Лабиринта. Номер карты Приватбанка 5168 7422 0168 8466

Книга подается без рисунков. Полную версию с рисунками в формате pdf можно заказать из основного сайта www.grinevich.com.ua  или непосредственно у автора, написав электронное письмо.

Авторский адрес didgrin@gmail.com