• A
  • A
  • A
  • ABC
  • ABC
  • ABC
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Regular version of the site

Human Physiology with the Basics of Biophysics

2020/2021
Academic Year
RUS
Instruction in Russian
6
ECTS credits
Course type:
Compulsory course
When:
2 year, 3, 4 module

Instructors

Программа 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

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

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

Элементы контроля

  • неблокирующий Контрольная работа
  • неблокирующий Контрольная работа
  • неблокирующий Контрольная работа
  • неблокирующий Контрольная работа
  • неблокирующий Экзамен
  • неблокирующий Контрольная работа
Промежуточная аттестация

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
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Сергеев И. Ю., Дубынин В. А., Каменский А. А. - ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ В 3 Т. Т. 1. НЕРВНАЯ СИСТЕМА: АНАТОМИЯ, ФИЗИОЛОГИЯ, НЕЙРОФАРМАКОЛОГИЯ. Учебник и практикум для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2020 - 393с. - ISBN: 978-5-9916-8578-8 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fiziologiya-cheloveka-i-zhivotnyh-v-3-t-t-1-nervnaya-sistema-anatomiya-fiziologiya-neyrofarmakologiya-451005
  • Сергеев И. Ю., Дубынин В. А., Каменский А. А. - ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ В 3 Т. Т. 2. КРОВЬ, ИММУНИТЕТ, ГОРМОНЫ, РЕПРОДУКЦИЯ, КРОВООБРАЩЕНИЕ. Учебник и практикум для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2020 - 258с. - ISBN: 978-5-9916-8760-7 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fiziologiya-cheloveka-i-zhivotnyh-v-3-t-t-2-krov-immunitet-gormony-reprodukciya-krovoobraschenie-451020
  • Сергеев И. Ю., Дубынин В. А., Каменский А. А. - ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ В 3 Т. Т. 3. МЫШЦЫ, ДЫХАНИЕ, ВЫДЕЛЕНИЕ, ПИЩЕВАРЕНИЕ, ПИТАНИЕ. Учебник и практикум для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2020 - 211с. - ISBN: 978-5-9916-9077-5 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fiziologiya-cheloveka-i-zhivotnyh-v-3-t-t-3-myshcy-dyhanie-vydelenie-pischevarenie-pitanie-451082

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Berne & Levy physiology, Koeppen, B. M., Stanton, B. A., 2018
  • Medical physiology, Boron, W. F., 2017
  • Балезина О. П., Гайдуков А. Е., Сергеев И. Ю. - ФИЗИОЛОГИЯ: БИОПОТЕНЦИАЛЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КЛЕТОК 2-е изд., пер. и доп. Учебное пособие для вузов - М.:Издательство Юрайт - 2020 - 165с. - ISBN: 978-5-534-04264-1 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fiziologiya-biopotencialy-i-elektricheskaya-aktivnost-kletok-452969