Биофизика мышечного сокращения

Однако эти гипотезы не смогли объяснить реальную картину  сложного строения мышечного волокна  на молекулярном уровне, полученную в  последнее время. Возможно, что при  медленном сокращении гладких мышц происходит фактическая деформация (активное сокращение отдельных протофибрилл) белковых цепей, как считает Г.М.Франк, однако для сокращения скелетных  мышц гораздо более обоснованными  являются представления, исходящие  из гипотезы скольжения нитей.

  Г.Хаксли и Хэнсон выдвинули гипотезу скольжения нитей. Ими было отмечено, что в широком интервале деформаций как при сокращении, так и при растяжении миофибрилл ширина А-диска остается постоянной. Напротив, при изменении длины саркомера изменяется ширина I-диска. Светлая Н-зона в А-диске также изменяется, но замечательно, что до тех пор, пока она существует, расстояние от конца одной Н-зоны через Z-мембрану до начала следующей Н-зоны (а это расстояние равно длине тонких нитей в миофибрилле) также остается постоянным. Если вспомнить, что А-диски образованы нитями миозина, а тонкие нити состоят их актина, то можно заключить, что в большой области деформаций мышцы длина миозиновых и актиновых нитей остается постоянной. Это можно объяснить только тем, что при сокращении мышцы нити просто скользят друг относительно друга без изменения своей длины.

  При сильном сокращении мышцы в середине А-диска появляется плотная зона, причем ширина этой зоны увеличивается по мере сокращения мышцы. Эта плотная зона появляется после полного исчезновения Н-зоны. Уменьшение Н-зоны при сокращении вызывается скольжением тонких нитей навстречу друг другу к центру А-диска. Измерив расстояние от Z-мембраны до противолежащего конца ноной плотной зоны (полосы сокращения), Г. Хаксли и Хэнсон обнаружили, что оно равно половине длины тонкой протофибриллы. На этом основании они предположили, что новая зона соответствует тому участку саркомера, где концы противолежащих тонких нитей перекрываются друг с другом. Это предположение подтвердилось тем, что на микрофотографии поперечного среза мышцы в области новой плотной зоны было обнаружено в 2 раза больше тонких нитей, чем в остальной области А-диска. Кроме того, при сильном сокращении мышцы, после исчезновения I-диска в области Z-мембран также появляются темные полосы. Это объясняется тем, что миозиновые нити достигают Z-мембран и после этого происходит их деформация.

  В дальнейшем данные электронного микроскопирования были подтверждены результатами рентгеноструктурного анализа. Основные рефлексы рентгенограммы не изменяются при сокращении мышц. Это указывает на то, что длина нитей при сокращении не меняется. Приведенные данные очень важны, так как в отличие от электронно-микроскопических исследований, проводимых на фиксированных препаратах мышц, рентгенографические исследования проводились и на живых сокращающихся мышцах, и на нефиксированных ее препаратах.

  Перемещение тонких нитей относительно толстых происходит, при помощи мостиков, соединяющих миозиновые нити с актиновыми. Так как изменений в длине толстых и топких нитей во время сокращения не происходит, то из модели скольжения нитей вытекает, что конформационные изменения, порождающие движение, должны происходить в указанных мостиках, связывающих толстые и тонкие нити. Весь процесс сокращения имеет циклический характер. Миозиновые мостики прикрепляются к активным участкам актиновых нитей и под действием энергии гидролиза АТФ укорачиваются или изменяют угол наклона к миозиновым нитям, что приводит к определенному перемещению нитей друг относительно друга. Затем происходит отсоединение мостиков в данных участках актиновых нитей и присоединение их в новых участках. Этот циклический процесс повторяется многократно, в результате чего происходит непрерывное перемещение нитей друг относительно друга. Рентгенографические исследования подтвердили предположение о движении мостиков. По мнению Г.Хаксли, расщепление одной молекулы АТФ приводит к одному замыканию и размыканию мостиков и к перемещению нитей на один элементарный участок.

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

Таким образом, можно сделать  вывод, что мышца обладает способностью трансформировать кишечную энергию  в механическую, производя при  этом работу. Эта работа затрачивается  на выполнение произвольных движений, а также на моторику внутренних органов. По своим свойствам мышцы отличаются от обычных твердых тел и относятся  к эластомерам - материала типа каучука.

Сократительная система  мышц состоит из сократительных и  эластических элементов.Химическая энергия мышцы превращается в механическую энергию сокращения без промежуточного превращения в тепло. Во время сокращения энергия затрачивается не только на работу, совершаемую мышцей, но и на выделения тепла. При работе теплопродукция мышц значительно увеличивается и находится в прямой зависимости от скорости сокращения мышц - при медленном сокращении в единицу времени тепла выделяется меньше, чем при быстром. Работа, производимая мышцей за единицу времени, т.е. мощность будет равна произведению напряжения на скорость сокращения:Мощность мышцы зависит от нагрузки и скорости сокращения мышцы. Каждое мышечное волокно представляет собой симпатическую многоядерную структуру. Мышечное волокно содержит миофибриллы, которые состоят из протофибрил. Одни нити образованы молекулами белка миозина, а другие молекулами белка актина.В мышце миозин и актин способны образовывать комплексное соединение - актомиозин.АТФ, образующаяся в процессах окисления и фосфорирования, является источником мышечного сокращения. В мышечном сокращении АТФ играет двойную роль: способствует диссоциации актомиозина на актин и миозин и одновременно под влиянием аденозитрифосфатазных свойств миозина сама расщепляется, освобождая энергию. Мышечное сокращение возникает в результате возбуждающего действия нервного импульса, проходящего в нервные окончания мионевральных синапсов.

В настоящее время более  широкое распространение получила теория «скользящих нитей». Эта теория, разработанная Л.Хаксли, Дж.Хансон и  М.Хакси, она заключается в том, что при мышечном сокращении тонкие актиновые нити продвигаются и скользят между толстыми миозиновыми нитями к центру саркомера.

Таким образом, сокращение мышц является процессом, иллюстрирующим сопряжения функции (энергетических процессов) и  структуру (механизмов, участвующих  в сокращении) живой клетки.

 

Список  литературы

1. Биофизика: Учеб. для  вузов. / Под ред. П.К.Костюка - Киев: Выщэ. школэ 2008. - 504 с. 

2. Пирузян Л.А., Ландау  М.А. Вопросы медицинской биофизики. 2009.

3. Ремизов А.Н. Медицинская  и биологическая физика: Учеб. для  мед. вузов. 1987 - 638 с.

4. Биофизика: Учеб. для  студ. мед.ин-ов / Ю.А.Владимиров и  др. - М.: Медицина, 2008. - 272 с. 

5. Волькенштейн М.В. Физика  и биология. - М.: Наука, 2005. - 152 с.

6. Губанов Н.И., Утепбергеров  А.А. Мед. физика : Учеб. для мед.ин-ов. - М.: Медицина, 1978. - 335 с.

7. Беликова З.П. и Павлова  Р.С. Учебное пособие по мед.  биофизике (Избр. главы). М.: Медицина, 1969.

8. Биофизические методы  исследования: Пер. с англ. (Под  ред. Ф.Юбера - М.:1956 - 404 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механические  свойства мышц. Закон Гука

  Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы)1, и б) скорость изменения длины.При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и (или) длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).

  Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т. п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.). Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают: а) параллельные упругие компоненты (ПарК) — соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков, и б) последовательные упругие компоненты (ПосК) — сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна. Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого  удлинения надо прикладывать все большую силу (иногда мышцу в этом отношении сравнивают с вязаными вещами: если растягивать, скажем, трикотажный шарф, то вначале он легко изменяет свою длину, а затем становится практически нерастяжимым).

  Если мышцу растягивать повторно через небольшие интервалы времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном «содействии. Это свойство мышц широко используется в практике при  выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т. п.).

  Длина, которую стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной. При такой длине мышцы ее упругие силы равны нулю. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.

  При растягивании мышцы больше равновесной длины появляются упругие силы в параллельных, упругих компонентах.

  Если при длине, превышающей равновесную, мышца сокращается, то сила, которую проявляют контрактильные элементы, складывается с силой упругой деформации ПарК, и суммарная сила тяги мышцы увеличивается. Поэтому при длине выше равновесной сила мышцы при сокращении больше.

  Чем больше в мышце соединительнотканных образований, тем раньше при ее растягивании возникают упругие силы ПарК и тем больше их вкладе суммарное напряжение возбужденной мышцы.

  По своим механическим свойствам мышцы относятся к эластомерам - материалам, обладающим значительной растяжимостью и упругостью.

Величина механического  напряжения σ , возникающего при сокращении мышцы  прямо пропорциональна  относительной деформации, согласно за- кону Гука.

                                                         σ = E*ɛ

σ=F/S- механическое напряжение, F - развиваемая сила, S - площадь по перечного сечения;

ɛ= - относительная деформация, L0 - первоначальная длина,rL- абсолютная деформация (удлинение); Е - модуль упругости (модуль Юнга). Он определяется величиной механического напряжения в сокращенной мышце, при увеличении ее длинны в два раза.

  По своим упругим свойствам и механизму деформации, мышечное волокно близко к каучуку: модуль упругости для обоих материалов равен 106 Па. При сильном напряжении как в мышце, так и в каучуке, наблюдается локальная кристаллизация (упорядочение макромолекулярной белковой структуры фибриллярного типа).

  Однако, при слабом и среднем сокращении, восстановление не бывает полным. Наличие остаточных деформаций характеризует пластичность мышцы - способность не сохранять свою форму и размеры, после прекращения действия силы. Таким образом, мышца не является абсолютно упругим телом, а обладает вязкоупругими свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа и сила мышц

  Величина сокращения (степень укорочения) мышцы при данной силе раздражения зависит как от ее морфологических свойств, так и от физиологического состояния. Длинные мышцы сокращаются на большую величину, чем короткие. Умеренное растяжение мышцы увеличивает ее сократительный эффект, при сильном же растяжении сокращение мышцы ослабляется. Если в результате длительной работы развивается утомление мышцы, то величина ее сокращения падает.Для измерения силы мышцы определяют тот максимальный груз, который она в состоянии поднять. Эта сила может быть очень велика. Так, установлено, что собака мышцами челюсти может поднять груз, превышающий вес ее тела в 8,3 раза. О силе икроножных мышц человека судят по величине груза, положенного ему на плечи, с которым он в состоянии приподняться на носки.

  Сила мышцы при прочих равных условиях зависит не от ее длины, а от поперечного сечения: чем больше физиологическое поперечное сечение мышцы, т. е. сумма поперечных сечений всех ее волокон, тем больше тот груз, который она в состоянии поднять.

  Физиологическое поперечное сечение совпадает с геометрическим только в мышцах с продольно расположенными волокнами; у мышц с косыми волокнами сумма поперечных сечений волокон может значительно превышать геометрическое поперечное сечение самой мышцы. По этой причине сила мышцы с косыми волокнами значительно больше, чем сила мышцы той же толщины, но с продольными волокнами.

 Чтобы иметь возможность  сравнивать силу разных мышц, максимальный груз, который мышца  в состоянии поднять, делят  на число квадратных сантиметров  ее физиологического поперечного  сечения.                   Таким образом вычисляют абсолютную мышечную силу. Абсолютная сила, выраженная в кг на 1 см2, икроножной мышцы человека равна 5,9, сгибателя плеча -8,1, жевательной мышцы - 10, двухглавой мышцы плеча - 11,4, трехглавой мышцы плеча - 16,8, гладких мышц - 1.Примером мышц с продольными волокнами может служить (портняжная мышца) m.sartorius, мышц с косыми волокнами (межреберные мышцы) mm.intercostales. Большинство мышц млекопитающих и человека имеет перистое строение. Перистая мышца имеет большое физиологическое сечение, а поэтому обладает большой силой.

  Работа мышцы измеряется произведением поднятого груза на величину укорочения мышцы, т. е. выражается в килограммометрах или граммсантиметрах.

Между грузом, который поднимает  мышца, и выполняемой ею работой  существует следующая зависимость. Внешняя работа мышцы равна нулю, если мышца сокращается без нагрузки. По мере увеличения груза работа сначала  увеличивается, а затем постепенно падает. При очень большом грузе, который мышца не способна поднять, работа становится равной нулю.

Мощность мышцы, измеряемая величиной работы в единицу времени, также достигает максимальной величины при средних нагрузках. Поэтому  зависимость работы и мощности от нагрузки получила название правила  средних нагрузок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Содержание

 

Введение

1. Механические свойства мышц. Закон Гука
2. Работа и сила мышц.
3. Механизм мышечного сокращения. Тонкая структура мышц.

Ферментативные свойства актомиозина. Кальциевый насос.

4. Теория механизма мышечного сокращения.

Вывод