Київський національний університет імені Тараса...

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Біофізика сенсорних системБіофізика сенсорних системБіофізика сенсорних системБіофізика сенсорних систем

Міністерство освіти і науки України

к.б.н., доцент кафедри біофізикик.б.н., доцент кафедри біофізикиМартинюк Віктор Семенович Мартинюк Віктор Семенович

Загальні принципи сенсорної рецепціїЗагальні принципи сенсорної рецепції

Рецептор Рецептор - (от лат. recipere - получать), в широкому розумінні це спеціалізована структура, яка сприймає фізичні або хімічні сигнали навколишнього або внутрішнього середовища і трансформує їх в іншу форму сигналу, яку сприймають аналізуючі та виконавчі системи клітин або функціональних систем організму.

Сприйняття сигналу завжди відбувається на молекулярному рівні, тому молекулярні рецепторні структури є основою рецептивних процесів.

Історично склалося так, що рецепторами вважають нервові утворення, які перетворюють фізико-хімічні впливи з зовнішнього або внутрішнього середовища на нервові імпульси.

Загальні принципи клітинної сигналізації Загальні принципи клітинної сигналізації та її основні компонентита її основні компоненти

Фізичні фактори:Фізичні фактори: температура, механічний або електромагнітній вплив.

Інформони:Інформони: гормони, цитокіни, фактори росту, нейротрансмітери, феромони, інші хімічні сполуки.

Клітинні рецептори:Клітинні рецептори: -рецептори мітогенів (факторів росту) з тирозинкіназною активністю; -рецептори, які спряжені з G- білками (80% відомих рецепторів);-рецептори-іонні канали; -рецептори імуноглобулінового ряду; -інтегрини; -ядерні рецептори; -інші.

GG-білки-білки – це гуанін-нуклеотидзв'язуючи білки, які передають сигнал з мембранних рецепторів на ефекторні молекули в клітині. 80% відомих рецепторів взаємодіють з G- білками.

Загальні принципи клітинної сигналізації Загальні принципи клітинної сигналізації та її основні компонентита її основні компоненти

Ефекторні молекулиЕфекторні молекули – це молекули, які утворюють внутрішньоклітинні посередники сигналу, сприйнятого рецептором (аденілатциклаза, фосфоліпаза С, фосфоліпаза А2, інші).

Вторинні месенджери (внутрішньоклітинні посередники)Вторинні месенджери (внутрішньоклітинні посередники) – це молекули, які активують різні молекулярні механізми регуляції клітинних процесів (цАМФ, цГМФ, ДАГ, ІФ3, Са2+).

Фосфорилювання білківФосфорилювання білків - - це основний механізм переключення активності білків та функціональної активності клітин. Фосфорилювання білків каталізують специфічні і неспецифічні протеїнкінази.

ДефосфорилюванняДефосфорилювання - - це механізм релаксації та обмеження функціональної активації клітин, який забезпечується фосфатазами.

Загальні принципи рецепціїЗагальні принципи рецепції

Спільність молекулярних механізмів рецепторних реакцій в різних сенсорних системах


Посилювання (ампліфікація) сенсорного сигналу в клітині


Інтеграція сигналів різної природи


Цитоплазматична рецепція та реалізація сигналу в клітині


Мембранна рецепція та реалізація сигналу в клітині.


Мембранна рецепція та реалізація сигналу в клітині

Сенсорні системиСенсорні системи

Клітинні рецептори є складовою частиною так званих аналізаторіваналізаторів, тобто сенсорних системсенсорних систем, які являють собою складні анатомічні, гістологічні і фізіологічні структури, головним завданням яких є сприймання та системний аналіз сигналів, які надходять з навколишнього або внутрішнього середовища.

Окремі рецептори анатомічно пов'язані один з одним і формують рецептивні полярецептивні поля, які можуть перекриватися.

Перетворення енергії подразника на електричний сигнал є головною особливістю клітинних рецепторів.

Первинні рецепториПервинні рецептори – це рецепторні клітини, у яких трансформація енергії подразника відбувається безпосередньо в їх мембрані.

Вторинні рецепториВторинні рецептори – це клітинні рецептори, у яких енергія подразника трансформується у клітинний процес генерації хімічного сигналу (медіатору), який у свою чергу призводить до генерації потенціалу дії у нервових закінченнях.


В залежності від природи подразника рецептори сенсорних систем поділяють на:

МеханорецепториМеханорецептори (механорецептори вуха, вестибулярного апарату, м'язів, судин, ін.)

ХеморецепториХеморецептори (смакові, нюхові, рецептори О2 і СО2 рецептори).

ФоторецепториФоторецептори (рецептори зорового аналізатору)Термоецептори Термоецептори (рецептори шкіри, внутрішніх органів).

В залежності від положення в організмі:

ЭкстерорецепториЭкстерорецептори (рецептори, які отримують інформацію від зовнішніх джерел подразнення – смакові, слухові, зорові, нюхові).

ІнтерорецепториІнтерорецептори (рецептори, які отримують інформацію від внутрішніх джерел подразнення).

ПропріоцепториПропріоцептори (рецептори, які сигналізують про стан м'язів та опорно-рухової системи).


Окремі види найпростішого кодування у формі генерації потенціалів дії:

Сила фактора частота імпульсів;

Швидкість зміни сили фактора частота імпульсів;

Тривалість дії фактора тривалість імпульсації;

Частота-амплітуда фактора тривалість міжімпульсних інтервалів – частота імпульсів (кодування звуку).


Відповіді первинних і вторинних нервових закінчень м'язових веретен.

А – імпульсація у нервових волокнах. Б – відповідь нервових закінчень на м'язовому веретені на різну швидкість розтягнення.


Залежність рецепторного потенціалу (АR) від натягнення (АT) при накладенні сили синусоїдальної форми (10 Гц 10 мм) на м'язове волокно


Спектральна чутливість слухового аналізатору людини:1 – поріг больового відчуття (І’ ≈ 1 Вт/м2 );

2 – поріг чутливості (І0 = 10-12 Вт/м2); А – діапазон чутливості.


Залежність суб’єктивного сприйняття гучності звуку від частоти. Лінії, які відстоюють один від одного на 10 дБ на частоті 1000 Гц,

відповідають суб’єктивно однаковому рівню гучності звуку. Нижня лінія – поріг чутливості; верхня лінія – поріг больового відчуття.

.

Волоскова клітина


.

Електрична відповідь волоскових клітин на рух стереоцилій

Гіпотетична ворітно-зсувна модель стимуляції волоскових клітин

Зорова система. Око як оптична система. Зорова система. Око як оптична система.

Зорова система. Око як оптична система. Зорова система. Око як оптична система.

Будова сітківки

П – пігментний шар.

Н – зовнішня погранична мембрана.

НЯС – зовнішній ядерний шар.

НСС – зовнішній синаптичний шар.

ВЯС – внутрішній ядерний шар.

ВСС – внутрішній синаптичний шар.

Г – шар гангліонарних клітин.

В – шар волокон зорового нерва

світло

Зорова система. Сітківка.Зорова система. Сітківка.

Пігментний епітелій

Колбочки і палички

Горизонтальна клітина

Біполярна клітина

Амакринна клітина

Гангліонарна клітина

Гліальна клітина

Зоровий нерв

Світло

Зорова система. Сітківка.Зорова система. Сітківка.

Особливості зорової рецепціїОсобливості зорової рецепції

Втрати світлового потоку при проходженні світла через оптичну систему ока складає приблизно 50%50%.

Приблизно 40%40% світлового потоку втрачається при проходженні світла через шари клітин сітківки.

Приблизно тільки 10%10% світла поглинається зоровим пігментом колбочок та паличок.

На сітківці знаходиться приблизно 110-125 млн. паличок110-125 млн. паличок і 6-7 млн. колбочок6-7 млн. колбочок.

Палички і колбочки розташовані нерівномірно – у центрі в основному знаходяться колбочки, на периферії – тільки палички.

Мінімальна яскравість, яку здатне сприйняти око людини, тобтоабсолютний поріг чутливості - 2*10абсолютний поріг чутливості - 2*10-17-17 Дж Дж на поверхні сітківки, що відповідає 58 квантам зеленого світла.

Мінімальна відміна у яскравості dI , яка сприймається на освітленому полі II є відмінним порогом чутливості.

Відношення dL/I = constdL/I = const є диференціальним порогомдиференціальним порогом.

Чим яскравіший фон II, тим більшим повинно бути dI


Палички – довжина 63-81 мкм, діаметр 1,8 мкм, зоровий пігмент – родопсин з максимумом поглинання світла 550 нм.

Колбочки – довжина 35 мкм, діаметр – 5-6 мкм, зоровий пігмент – йодопсин з максимумом поглинання 440, 540, 570 нм.

На сітківці знаходиться приблизно 110-125 млн. паличок і 6-7 млн. колбочок.


Родопсин – інтегральний мембранний білок

Трансдуцин – представник G-білків, які активують ефекторні білки


Дослідження Уолда

1. Встановив ключову роль ретиналю.

2. Становив фотодисоціацію родопсину.

3. Показав відновлення функції родопсину при додаванні цис-ретиналю до знебарвленого опсину.

4. 1967 р. – отримав Нобелівську премію.


Перетворення у структурі ретиналю при поглинанні кванта світла


Фоторецепторний потенціал

1. У стані спокою фоторецепторна мембрана частково деполяризована внаслідок постійної цГМФ-залежної активації іонних каналів.

2. Поглинання світла родопсином призводить до його конформаційних перетвореннь.

3. Зміна конформації родопсину є фактором, який сприяє взаємодії родопсину (опсину) з трансдуцином (G-білком)

4. Активація фосфодіестерази субодиницею трансдуцину, що активує розщеплення цГМФ.

5. Зниження концентрації цГМФ і активності цГМФ залежної активації Na+-каналів.

6. Гіперполяризація фоторецпторної мембрани (фоторецепторний потенціал).


Фоторецепторний потенціал


Кольоровий зір

Трьохкомпонентна теорія зору запропонована у 1801 р. Т. Юнгом і детально розроблена Г. Гельмгольцем.

Світлові хвилі різних довжин сприймаються всіма колбочками та паличками, однак по різному, що пов'язано з різними спектральними характеристиками родопсину і йодопсинів.

Колір сприймається як суміш базових кольорів, наприклад синього, зеленого і червоного.

Колір можна встановити за допомогою т.з. RGB-діаграми.

Особливості зорової рецепції людиниОсобливості зорової рецепції людини

нм

Кольорова діаграма Міжнародної комісії з освітлювання (MKO)

та трикутник системи RGB МКО


Фоторецептори безхребетних


Фоторецептори безхребетних

Зорова система безхребетних


Три типу складних очей у безхребетних

нм

Дякую за увагуДякую за увагу

Дякую за увагуДякую за увагу

Київський національний університет імені Тараса...

Documents

Transcript of Київський національний університет імені Тараса...