Физиология человека с основами биофизики

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Клеточная и молекулярная биотехнология)

Направление: 06.03.01. Биология

Кто читает: Факультет биологии и биотехнологии

Где читается: Факультет биологии и биотехнологии

Когда читается: 2-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Болдырева Мария Александровна, Гайдуков Александр Евгеньевич

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 100

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Физиология — наука о жизненных функциях организма и его отдельных структур, механизмах их осуществления и регуляции. Предметом изучения физиологии являются проявления жизненных функций, начиная с молекулярного уровня и заканчивая целым организмом, включая поведенческие реакции, сознание и мышление. Физиология изучает роль различных веществ в организме и источники получения энергии, механизмы взаимодействия клеток и объединения их в ткани, органы и целостный организм. Физиология исследует взаимодействие организма с внешней средой и механизмы адаптации, а также становление физиологических функций в филогенезе и онтогенезе. Биофизика - наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Физиология животных и человека с элементами биофизики», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Профессиональный цикл» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к базовой части. Осваивается на 2 курсе в 3-4 модулях. Изучение данной дисциплины базируется на результатах освоения дисциплины «Зоология беспозвоночных животных», «Зоология позвоночных животных» «Общая и неорганическая химия», «Органическая химия для биологии и медицины», «Молекулярная биология», «Клеточная биология: основы биопроцессов». Основные положения дисциплины «Физиология животных и человека с элементами биофизики» будут использоваться в рамках изучения дисциплин «Эмбриология», «Клеточные технологии и инженерия», «Биоэнергетика», «Медицинская биотехнология» и др., а также при прохождении практик на 2-4 курсах образовательной программы «Клеточная и молекулярная биотехнология».

Цель освоения дисциплины

является формирование у студентов представлений о физиологии центральной и периферической нервной системы, особенности строения и функционирования нейронов, глиальных клеток и нервной ткани в целом; организации нервной системы, в том числе головного и спинного мозга и функционировании их отделов; электрофизиологических процессах в возбудимых клетках; особенностях функционирования и регуляции скелетной, сердечной и гладкой мускулатуры. Формирование у студентов представлений о принципах работы и адаптации сенсорных систем, обеспечивающих восприятие стимулов разных модальностей; регуляции функций основных систем жизнеобеспечения с помощью вегетативной нервной системы.
является дать студентам современные представления о принципах и механизмах регуляции сердечно-сосудистой системы человека, взаимодействии системных и локальных механизмах регуляции кровотока при адаптивных реакциях организма, функционировании и регуляции дыхательной системы; формирование представлений о функциях клеточных элементов крови, гемостаза, антикоагулянтных систем и фибринолиза; формирование представлений о принципах работы эндокринной системы, классификации гуморальных регуляторов и их рецепторов, функциях гормонов для понимания гормональных механизмов управления процессами жизнедеятельности; формирование представлений о функционировании выделительной системы, процессах мочеобразования в нефронах почек и их регуляции; формирование представлений о строении, функционировании и комплексной регуляции отделов пищеварительной системы.

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Введение в физиологию животных и человека. Поперечно-полосатые мышцы.
Физиология как наука о функциях организма и отдельных его частей. Основные понятия и методы исследования в физиологии. Системы органов, разнообразие тканей. Мышечная ткань: скелетная, сердечная, гладкая. Поперечно-полосатые мышцы. Типы мышечных волокон, их биохимические и функциональные особенности. Зависимость силы сокращения от исходной длины мышцы. Одиночное и тетаническое сокращение. Саркомер как структурно-функциональная единица миофибриллы. Строение тонких и толстых филаментов саркомера. Сократительные белки. Теория скольжения нитей. Цикл работы головки миозина. Роль кальции и АТФ в сокращении скелетной мышцы. Электро-механическое сопряжение в скелетной мышце. Иннервация скелетных мышц. Двигательная единица и мотонейронный пул. Механизмы регуляции силы мышечного сокращения.
Тема 2. Биологические мембраны. Трансмембранный перенос веществ. Электрохимический потенциал.
Строение и основные функции биологических мембран. Основные типы трансмембранного транспорта веществ. Электрохимический потенциал. Пассивная диффузия – основные свойства. Облегченная диффузия – основные характеристики. Ионные каналы – общие свойства. Первично- и вторично-активный транспорт.
Тема 3. Потенциал покоя. Потенциал действия.
Потенциал покоя. Диффузионный потенциал для потока ионов (уравнение Нернста). Основные постулаты мембранной теории Бернштейна. Роль концентрационного градиента ионов и избирательной ионной проницаемости мембраны в создании трансмембранной разности потенциалов. Равновесный потенциал. Модель мембраны с тремя проникающими ионами. Использование теории постоянного поля Голдмана для описания ионных токов через мембрану. Уравнение Голдмана-Ходжкина-Катца. Эквивалентная электрическая схема мембраны с тремя проникающими ионами. К-каналы утечки, их молекулярная организация, вольт-амперная характеристика. Na/K-АТФаза, молекулярная организация, модель переноса ионов по типу шлюзования. Электрогенная функция Na/K-АТФазы насоса, ее учет для количественного расчета потенциала покоя. Хлорные транспортеры, роль в формировании концентрационного хлорного градиента и уровня равновесного потенциала для хлора. Свойства пассивной электропроводности мембраны. Электрические параметры – системные и характеризующие вещество мембраны и цитоплазмы. Эквивалентная электрическая схема сферической клетки. Роль емкости мембраны во временном ходе электрических сигналов на мембране. Постоянная времени мембраны (тау). Кабельная теория электрических процессов в клетках. Эквивалентная электрическая схема цилиндрической клетки. Постоянная длины волокна (лямбда). Разница между пассивными сдвигами потенциала и ПД. Природа потенциала действия. Основные фазы и их ионная природа. Критический уровень деполяризации. Метод фиксации потенциала (voltage clamp), ионные токи при генерации ПД. Ионные проводимости в зависимости от значения МП и времени. Математическая модель Ходжкина-Хаксли – основные постулаты. Уравнения натриевой и калиевой проводимостей как функции МП и времени. Физический смысл и роль коэффициентов m, h и n. Инактивация натриевых каналов. Структурные и функциональные характеристики потенциал-зависимых натриевых и калиевых каналов. Вольт-амперные кривые натриевого и калиевых токов при генерации ПД. Использование следствий модели Ходжкина-Хаксли для описания рефрактерности, аккомодации, латентного периода, порога генерации ПД. Анализ проводимости одиночных ионных каналов (patch-clamp). Причина различий амплитудно-временных характеристик ПД в разных возбудимых клетках и структурах. Механизмы проведения ПД. Локальные токи. Факторы, определяющие скорость распространения ПД. Скорость распространения ПД у миелинизированного и немиелинизированного волокон – зависимость от диаметра волокна. Классификация нервных волокон (А, В, С).
Тема 4. Синапс: строение, передача сигнала.
Электрофизиология межклеточных взаимодействий. Электрические и химические синапсы. Структуры в составе электрического синапса (щелевого контакта). Основные свойства электрических синапсов. Структурные особенности химических синапсов. Понятие о медиаторах, их критерии. Квантовая природа секреции медиатора. Синаптические везикулы. Заполнение везикул медиатором. Роль ионов кальция в секреции медиатора. Потенциал-зависимые кальциевые каналы, особенности их работы. Активные зоны в нервных терминалях, их функции. Жизненный цикл синаптических везикул. Типы экзоцитоза (kiss-and-run и с полным встраиванием). Эндоцитоз. Механизмы удаления медиатора из синаптической щели. Ионотропные и метаботропные рецепторы – структурные и функциональные особенности. Природа постсинаптических потенциалов и токов. Понятие равновесного синаптического потенциала (потенциала реверсии). Зависимость синаптического тока и сдвига потенциала от МП. Понятие о ВПСП и ТПСП и ионных механизмах их генерации. Пространственная и временная суммация. Постсинаптическое торможение. Пресинаптическое торможение. Пластичность химической синаптической передачи. Кратковременные и долговременные формы синаптической пластичности, механизмы, лежащие в их основе.
Тема 5. Нервная система : клеточный состав, полости, оболочки, барьеры.
Общие функции, топографический и функциональный принципы классификации. Морфологическая и функциональная классификация нейронов. Функциональная спецификация участков нейронов, роль аксонного холмика. Глиальные клетки – микро- и макроглия, типы клеток и их функции. Оболочки мозга – структурно-функциональные особенности. Полости мозга, гемато-ликворный барьер. Анатомические особенности кровоснабжения мозга. Белое и серое вещество нервной системы. Афферентная и эфферентная иннервация. Типы организации нейронов: корковая, ядерная и ретикулярная. Рефлекторный принцип работы нервной системы.
Тема 6. Нервная система: Принципы строения, спинной мозг, продолговатый мозг и средний мозг
Спинной мозг. Сегментарность строения. Белое (канатики) и серое (рога) вещество спинного мозга. Ядра и пластины серого вещества спинного мозга. Строение дуг соматического и вегетативного рефлексов. Продолговатый мозг и мост. Черепные нервы. Функциональные типы ядер черепных нервов (двигательные, сенсорные и вегетативные). Рефлексы, запускаемые с участием вестибуло-спинального тракта. Ретикулярная формация ствола мозга, особенности афферентации. Жизненно-важные функции, обеспечиваемые ретикулярной формацией ствола. Средний мозг. Верхние и нижние ножки четверохолмия. Центральное серое околоводопроводное вещество – антиноцицептивный центр. Эндогенные опиоиды, контроль боли. Красное ядро, его функции. Экстрапирамидная система. Черная субстанция – компактная и ретикулярная части, их функции. Вентральная тегментальная область (VTA) – проекции нейронов, функции.
Тема 7. Нервная система: мозжечок, промежуточный мозг, базальные ганглии, кора больших полушарий.
Мозжечок – структурная организация и функции. Строение и клеточный состав коры мозжечка. Основной принцип работы мозжечка и его реализация. Промежуточный мозг. Функции таламуса как фильтра сенсорной информации, принципы работы таламического фильтра. Типы ядер таламуса. Конечный мозг. Базальные ганглии, строение, связи и моторные функции. Прямой и непрямой пути передачи сигналов базальными ганглиями. Гипо- и гиперкинетические расстройства, связанные с базальными ганглиями. Слоистое строение коры больших полушарий. Древняя, старая и новая кора больших полушарий. Доли неокортекса, функции зон новой коры.
Тема 8. Сенсорные системы.
Общие механизмы возбуждения рецепторов: трансдукция и трансформация, зависимость силы ощущения от силы раздражения. Механизмы, обеспечивающие адекватность восприятия. Структурно-функциональная организация основных органов чувств: обонятельные, вкусовые, кожные механо- и терморецепторы, ноцицепция. Пути поступления афферентной информации в головной мозг.
Тема 9. Сенсорные системы. Зрительный анализатор
Строение глаза, оптической системы глаза. Понятие рецептивного поля. Изменение потенциала в локальных нейронных сетях сетчатки. Частотное кодирование силы воздействия. Выделение признаков зрительных объектов нейронами-детекторами. Нейронное кодирование информации о сложных образах в височной коре. Зрительные иллюзии как инструмент изучения сложных когнитивных функций.
Тема 10. Сенсорные системы. Слуховой и вестибулярный анализаторы.
Физические свойства звукового стимула. Волосковые клетки улитки. Механорецепция. Теория места. Локализация источника звука в пространстве, эхолокация. Кохлеарные имплантаты как способ коррекции нарушений работы слуховой системы. Вестибулярная сенсорная система.
Тема 11. Вегетативная нервная система.
Роль в регуляции внутренних органов и поддержании гомеостаза. Структурно-функциональная организация симпатического и парасимпатического отделов и их регуляторные взаимоотношения. Медиаторы вегетативной нервной системы. Эффекты двух отделов вегетативной нервной системы на эффекторные органы. Гипоталамус как интегративный центр регуляции вегетативных функций.
Тема 12. Сердце - электрическая активность.
Строение сердца млекопитающих. Автоматия сердца. Узлы автоматии, градиент автоматии в сердце. Сравнительный анализ потенциалов действия и ионных токов клеток, расположенных в различных отделах сердца. Изменение потенциалов действия пейсмейкерных клеток и клеток рабочего миокарда под влиянием медиаторов симпатических и парасимпатических нервов. Электрокардиограмма, формирование и изменения при патологиях сердца.
Тема 13. Сердце - механическая активность.
Электромеханическое сопряжение в кардиомиоцитах. Изменения объема желудочков и давления в камерах сердца и крупных артериях в течение сердечного цикла. Сердечный выброс и его регуляция. Влияние венозного возврата, давления в правом предсердии, среднего давления заполнения кровеносной системы. Закон Франка-Старлинга. Механизмы изменения сократимости миокарда под влиянием симпатических и парасимпатических нервов.
Тема 14. Кровообращение - кровеносные сосуды.
Строение и физиология кровеносных сосудов. Гидравлическое сопротивление, давление крови, линейная и объемная скорость кровотока на разных участках сосудистой системы. Закон Пуазёйля. Артериолы, особенности строения и роль в регуляции кровотока. Гладкомышечные клетки кровеносных сосудов: особенности метаболизма и строения сократительного аппарата. Ионные механизмы формирования потенциала покоя и потенциала действия в гладких мышцах сосудов. Электромеханическое и фармако-механическое сопряжение в гладкомышечных клетках сосудов. Функции эндотелиальных клеток кровеносных сосудов. Механочувствительность эндотелия. Вазоактивные вещества, продуцируемые эндотелиальными клетками. Капилляры, строение в разных органах. Закон Старлинга-Лэндиса. Движение крови по венам, влияние гравитационного фактора.
Тема 15. Кровообращение - регуляция.
Быстрые, медленные и сверхмедленные механизмы регуляции давления крови. Механизмы реализации и функциональная значимость феноменов авторегуляции кровотока, активной гиперемии, поток-зависимой вазодилятации. Барорецепторные и хеморецепторные рефлексы. Буферная роль барорефлекса. Гуморальная регуляция гемодинамики. Роль почек в регуляции давления крови. Перераспределение кровотока при стрессе и физической нагрузке, механизмы. Особенности кровообращения и его регуляции в сердце, мозге, легких, печени, желудочно-кишечном тракте, почках и коже.
Тема 16. Кровь: состав, защитные свойства, фибринолиз.
Количество крови в организме и ее состав. Вязкость цельной крови и плазмы. Буферные системы крови. Плазма крови, электролитный состав, белки и липопротеины. Коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление плазмы. Форменные элементы крови и их функции. Кроветворение и его регуляция. Группы крови и резус-фактор. Тромбоциты, роль в первичном гемостазе. Факторы, инициирующие первичный гемостаз. Взаимосвязь механизмов гемостаза и регуляции тонуса сосудов. Механизмы вторичного гемостаза. Факторы свертывания крови, их последовательная активация при образовании тромба. Взаимодействие факторов свертывания крови на поверхности клеточной мембраны. Противосвертывающая система: роль гепарина, серпинов, тромбомодулина, протеина С и ингибитора пути тканевого фактора. Система фибринолиза, ее активаторы и ингибиторы.
Тема 17. Дыхание - легочная вентиляция.
Строение легких. Механизм легочного дыхания. Дыхательные мышцы и их иннервация. Дыхательный центр и его работа. Эластическая тяга легких. Особенности поверхностного натяжения в альвеолах легких. Состав сурфактанта и его влияние на эластическую тягу легких. Аэрогематический барьер. Вентиляционно-перфузионное соотношение в разных участках легких, роль гравитационного фактора.
Тема 18. Дыхание - транспорт газов и регуляция дыхания.
Транспорт кислорода и углекислого газа в крови. Карбоангидраза и ее роль в транспорте СО2. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Эффекты Бора и Холдейна, их функциональное значение. Современные представления о структурно-функциональной организации дыхательного центра. Афферентные влияния на ритмику дыхания. Рефлекс Геринга-Брейера. Влияние рО2, рСО2 и рН на дыхание. Рецепторы органов дыхания, периферические и центральные хеморецепторы, роль в создании адекватного уровня легочной вентиляции.
Тема 19. Эндокринная система.
Общие принципы и особенности гуморальной регуляции. Физиологическая роль гормонов, механизм действия. Химическая природа основных групп гормонов и особенности их взаимодействия с клетками-мишенями: внутриклеточная и мембранная рецепция. Понятие о вторичных мессенджерах (кальций, циклические нуклеотиды).
Тема 20. Эндокринная система.
Железы, типы гормонов, взаимодействие с рецепторами. Основные железы внутренней секреции, выделяемые ими гормоны и их функциональная роль: половые железы (механизм дифференцировки пола), надпочечники (мозговой и корковый слой), поджелудочная железа, щитовидная железа, околощитовидные железы, гипофиз. Регуляция деятельности желез внутренней секреции. Связь нервных и гормональных механизмов регуляции, гипоталамо-гипофизарная система. Тропные гормоны. Гипоталамические регуляторные факторы. Гормоны желудочно-кишечного тракта и почек.
Тема 21. Выделение.
Строение выделительной системы. Строение почки и нефрона. Особенности почечного кровообращения. Клубочковая фильтрация. Состав первичной мочи. Факторы, определяющие сравнительное постоянство скорости клубочковой фильтрации. Процессы канальцевой реабсорбции и секреции в почечных канальцах. Роль механизмов пассивного, активного и вторично-активного транспорта в реабсорбции различных веществ. Механизмы реабсорбции глюкозы и других органических веществ. Транспорт веществ в нисходящем и восходящем отделах петли Генле. Противоточная система нефрона, механизм концентрирования мочи. Влияние гормонов на реабсорбцию воды и ионов в почечных канальцах. Роль почек в регуляции кислотно-основного равновесия. Механизмы секреции Н+ в почечных канальцах. Регуляция функций почки. Связь с регуляцией объема циркулирующей крови и уровня артериального давления.
Тема 22. Пищеварение.
Строение и функции системы пищеварения. Строение стенки пищеварительного тракта. Иннервация различных отделов пищеварительного тракта. Механизм глотания. Механизмы движения пищевого комка по пищеводу. Основные виды перистальтики в различных отделах желудочно-кишечного тракта. Ионные механизмы спонтанной активности гладкой мышцы. Клетки Кахаля. Строение и функциональная роль метасимпатической (энтеральной) нервной системы. Слюнные железы. Состав слюны. Регуляция слюноотделения. Желудочный сок, его состав и ферментативное действие.
Тема 23. Пищеварение.
Пищеварение в двенадцатиперстной кишке. Поджелудочная железа и ее ферменты. Физиология гепатобилиарной системы. Роль желчи в пищеварении. Пищеварение в тонком кишечнике. Ферменты кишечных желез. Механизмы пристеночного пищеварения и его значение для интеграции процессов пищеварения и всасывания. Процессы всасывания в пищеварительном тракте. Строение и функции ворсинки. Всасывание воды, ионов, продуктов переваривания белков, углеводов, жиров. Микробиота и роль бактерий в кишечном пищеварении. Нервная, гуморальная и паракринная регуляция секреторной активности пищеварительного тракта. Регуляция процессов всасывания. Основные гормоны желудочно-кишечного тракта, их функциональное значение.
Тема 24. Поведение человека и животных.
Основные понятия и принципы физиологии высшей нервной деятельности по отношению к другим биологическим наукам. Теории П.К. Анохина и И.П. Павлова. Классификации видов памяти, структурно-функциональные основы памяти. Виды сна. Электроэнцефалограмма сна. Нейроанатомия эмоций. Исследование речевых функций мозга. Проблемы исследования сознания.

Элементы контроля

Контрольная работа
Контрольная работа
Контрольная работа
Контрольная работа
Экзамен
Контрольная работа

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.1 * Контрольная работа + 0.1 * Контрольная работа + 0.1 * Контрольная работа + 0.1 * Контрольная работа + 0.1 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен

Программа дисциплины

Программа дисциплины

Аннотация

Цель освоения дисциплины

Содержание учебной дисциплины

Элементы контроля

Промежуточная аттестация

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература