Биофизика мышечного сокращения

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра Медбиофизики и ОБЖ

 

 

 

 

СРС

На тему: Биофизика мышечного сокращения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы

ОМ-137  Богайчук А

Проверила:Масликова Е.И

 

Астана 2014

План.

1.Введение

2.Механические свойства  мышц. Закон Гука

3.Феноменологические соотношения  между нагрузкой, скоростью сокращения  и общей мощностью мышц. Работа  мышц.

4.Механизм механического  сокращения. Тонкая структура мышц.

Ферментативные свойства актомиозина. Кальциевный насос.

5.Теория механизма мышечного  сокращения.

6.Заключение

7.Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введения

Все мышцы организма делят  на гладкие и поперечнополосатые.  Поперечнополосатые мышцы подразделяются на  два типа: скелетные мышцы и миокард.

Мембрана мышечных клеток, называемая  сарколеммой,  электровозбудима и способна проводить потенциал действия. Эти процессы в мышечных клетках происходят по тому же принципу, что и в нервных. Потенциал покоя мышечного волокна составляет приблизительно -90 мВ, то есть ниже,  чем у нервного  волокна (-70 мВ); критическая деполяризация, по достижении которой возникает потенциал действия, такая же,  как у нервного волокна.  Отсюда:  возбудимость мышечного волокна несколько ниже возбудимости  нервного, так как мышечную клетку требуется  деполяризировать  на большую величину.

Ответом мышечного волокна на возбуждение является сокращение, которое совершает сократительный аппарат клетки – миофибриллы.  Они представляют собой тяжи, состоящие из двух видов нитей: толстых – миозиновых, и тонких – актиновых. Толстые нити (диаметром 15 нм и длиной 1,5 мкм) имеют в своем составе только один белок – миозин. Тонкие нити (диаметром 7 нм и длиной 1 мкм) содержат три вида белков: актин, тропомиозин и тропонин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механические свойства мышц

Одно из основных свойств мышц — способность сокращаться. В организме различают три основных типа мышц:

Поперечно-полосатые мышцы, которыми управляет головной мозг. Вместе с костями и сухожилиями они отвечают за все наши движения – от поднятия брови до танцев. Гладкие мышцы, отвечающие за непроизвольные движения внутренних органов, например кишечника.Сердечная мышца, из которой почти целиком состоит сердце.

Скелетные (поперечнополосатые) мышцы прочно прикреплены к костям, обеспечивают движение головы, туловища и конечностей; поддерживают положение тела в пространстве.

Мышцы сердца обеспечивают непрерывный ток крови, а гладкие – движение в различных системах организма: сосудистой, пищеварительной, двигательной, выделительной и др.

Все мышцы работают по одному принципу и имеют близкий химический состав: вода — 75 %, белки — 20 %, аденозинтрифосфат (АТФ) — до 0,4 %.

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) и б) скорость изменения длины.

При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние- эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и 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.).

Мышца не является ни чисто упругим, ни чисто вязким элементом. Мышца вязко–упругий элемент, вязко-упругая среда, для которой справедливы законы классической механики. Фундаментальными понятиями механики сплошных сред являются: упругость, вязкость, деформация, напряжение, жесткость, прочность, релаксация, гистерезис и др.Рассмотрим некоторые из них:

Упругость - свойство тел менять свои размеры и форму под действием внешних сил и самопроизвольно их восстанавливать при прекращении внешних воздействий. Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов и молекул.

 Вязкость- внутреннее  трение среды.

Деформация- относительное изменение длины.

Напряжение механическое -мера внутренних сил, возникающих при деформации материала.

Прочность- оценивается величиной растягивающей силы, при которой мышца разрывается. Предельное значение растягивающей силы определяют по кривой Хилла. Предел прочности для мышцы составляет 0,1- 0.3 н.\ мм. Предел прочности фасций- около 14 н.\мм; сухожилия- 50 н.\мм.

Жесткость- это способность мышцы противодействовать прикладываемым силам. Определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы.

Релаксация- свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы.

Гистерезис- это следствие вязко- упругих свойств мышцы. Проявляется это в том, что сила, возникающая при определенной длине мышцы во время ее удлинения (растяжения),больше силы,образуемой при такой же длине мышцы на фазе ее сокращения.

Закон Гука — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. п.), пропорциональна приложенному к этому телу напряжению.

Представьте, что вы взялись за один конец упругой пружины, другой конец которой закреплен неподвижно, и принялись ее растягивать или сжимать. Чем больше вы сдавливаете пружину или растягиваете ее, тем сильнее она этому сопротивляется.

В виде уравнения закон Гука записывается в следующей форме: F = –kx

где F — сила упругого сопротивления струны, x — линейное растяжение или сжатие, а k — так называемый коэффициент упругости. Чем выше k, тем жестче струна и тем тяжелее она поддается растяжению или сжатию. Знак минус в формуле указывает на то, что струна противодействует деформации: при растяжении стремится укоротиться, а при сжатии — распрямиться.

Закон Гука лег в основу раздела механики, который называется теорией упругости. Выяснилось, что он имеет гораздо более широкие применения, поскольку атомы в твердом теле ведут себя так, будто соединены между собой струнами, то есть упруго закреплены в объемной кристаллической решетке. Таким образом, при незначительной упругой деформации эластичного материала действующие силы также описываются законом Гука, но в несколько более сложной форме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Феноменологические соотношения между нагрузкой, скоростью сокращения и общей мощностью мышц. Работа мышц.

Мышцы, сокращаясь или напрягаясь, производят работу. Она может выражаться в перемещении тела или его частей. Такая работа совершается при поднятии тяжестей, ходьбе, беге. Это динамическая работа. При удерживании частей тела в определенном положении, удерживания груза, стоянии, сохранении позы совершается статическая работа. Одни и те же мышцы могут выполнять и динамическую, и статическую работу. Сокращаясь, мышцы приводят в движение кости, действуя на них, как на рычаги. Кости начинают двигаться вокруг точки опоры под влиянием приложенной к ним силы. Движение в любом суставе обеспечивается как минимум двумя мышцами, действующими в противоположных направлениях. Их называют мышцы-сгибатели и мышцы-разгибатели. Например, при сгибании руки двуглавая мышца плеча сокращается, а трехглавая мышца расслабляется. Это происходит потому, что возбуждение двуглавой мышцы через центральную нервную систему вызывает расслабление трехглавой мышцы.

Скелетные мышцы прикрепляются с двух сторон от сустава и при своем сокращении производят в нем движение. Обычно мышцы, осуществляющие сгибание - флексторы, находятся спереди, а производящие разгибание - экстензоры - сзади от сустава. Только в коленном и голеностопном суставах передние мышцы, наоборот, производят разгибание, а задние - сгибание.

Мышцы, лежащие снаружи (латерально) от сустава, - абдукторы - выполняют функцию отведения, а лежащие кнутри (медиально) от него - аддукторы - приведение. Вращение производят мышцы, расположенные косо или поперечно по отношению к вертикальной оси (пронаторы - вращающие внутрь, супинаторы - кнаружи). В осуществлении движения участвует обычно несколько групп мышц. Мышцы, производящие одновременно движение в одном направлении в данном суставе, называют синергистами (плечевая, двуглавая мышцы плеча); мышцы, выполняющие противоположную функцию (двуглавая, треглавая мышца плеча), - антагонистами. Работа различных групп мышц происходит согласованно: так, если мышцы-сгибатели сокращаются, то мышцы-разгибатели в это время расслабляются.

"Пускают" мышцы в  ход нервные импульсы. В одну  мышцу в среднем поступает 20 импульсов  в секунду. В каждом шаге, например, принимает участие до 300 мышц и  множество импульсов согласует  их работу.

Количество нервных окончаний в различных мышцах неодинаково. В мышцах бедра их сравнительно мало, а глазодвигательные мышцы, целыми днями совершающие тонкие и точные движения, богаты окончаниями двигательных нервов. Кора полушарий неравномерно связана с отдельными группами мышц. Например, огромные участки коры занимают двигательные области, управляющие мышцами лица, кисти, губ, стопы, и относительно незначительные - мышцами плеча, бедра, голени. Для тонкого управления мышечной активностью необходима регуляция напряжения, развиваемого каждой отдельной мышцей.  

Скелетная мышца представляет собой сложную систему  преобразующую химическую энергию в механическую работу и тепло. В настоящее время хорошо исследованы молекулярные механизмы этого преобразования.

  Структурная организация мышечного волокна. Мышечное волокно является многоядерной структурой, окруженной мембраной и содержащей специализированный сократительный аппарат — миофибриллы. Кроме этого, важнейшими компонентами мышечного волокна являются митохондрии, системы продольных трубочек — саркоплазматическая сеть (ретикулум) и система поперечных трубочек — Т-система. Функциональной единицей сократительного аппарата мышечной клетки является саркомер (рис. 2.20,А); из саркомеров состоит миофибрилла. Саркомеры отделяются друг от друга Z-пластинками. Саркомеры в миофибрилле расположены последовательно, поэтому сокращение саркомеров вызывает сокращение миофибриллы и общее укорочение мышечного волокна. 

Мышечное волокно в свою очередь содержит 1000—2000 параллельных мышечных фибрилл (миофибрилл) диаметром около 1 мкм. Весь пучок миофиорилл обтянут мембраной мышечного волокна — плазмалеммой. Плазмалемма, подобно мембранам всех других клеток, состоит из трех слоев белков и липидов общей толщиной около 10 нм и электрически поляризована. Мембранный потенциал достигает 100 мВ. Сверху плазмалемма покрыта тонким слоем коллагеновых нитей, обладающих упругими свойствами.

В мышечном волокне содержится много ядер, располагающихся вблизи плазмалеммы, и большое количество митохондрий, находящихся между фибриллами. Митохондрии являются центрами образования макроэргических соединений, прежде всего АТФ. Отсюда макроэргические соединения через саркоплазму поступают к фибриллам.

 

Ферментативные свойства актомиозина. Кальциевный насос.

В.А. Энгельгардтом и М.Н. Любимовой (1939) было сделано очень важное открытие: они показали, что наряду с сократительными свойствами миозин обладает ферментативными свойствами, являясь ферментом аденозинтрифосфатазой, расщепляющей АТФ. В миофибриллах через поперечные мостики миозин образует комплексное соединение с актином. Энергия, выделяющаяся в процессе гидролиза АТФ, непосредственно используется для сокращения актомиозинового комплекса. Ферментативная активность актомиозина примерно в 10 раз выше активности одного миозина.

Ферментативная активность, а следовательно, и способность к сокращению актомиозинового комплекса сильно зависят от присутствия в среде ионов кальция. Многие ученые считают, что в отсутствие ионов кальция актомиозин вообще не способен расщеплять АТФ и сокращаться. При увеличении концентрации кальция до определенного предела активность актомиозина увеличивается и достигает максимального значения при концентрации кальция, равной концентрации АТФ в среде. Предполагают, что ионы кальция входят в состав активных центров миозина, локализованных в области поперечных мостиков, и только после этого миозин проявляет АТФ-азную активность. Непосредственной причиной, вызывающей расщепление АТФ и сокращение миофибрилл, служит появление свободных ионов кальция в саркоплазме. Так, инъекция раствора, содержащего ионы кальция, в саркоплазму приводит к сокращению мышечного волокна при отсутствии нервного импульса и потенциала действия мышечного волокна. Наконец, с помощью специальных индикаторов кальция было показано, что в момент сокращения волокна происходит увеличение концентрации ионов кальция в саркоплазме.

Согласно современным представлениям, в клетках функционирует специальный кальциевый насос, работа которого вызывает сокращение и расслабление миофибрилл. Этот насос, по мнению Бендолла, локализован в мембранах саркоплазматического ретикулума (эндоплазматической сети) мышечного волокна. Саркоплазматическийретикулум состоит из поперечно и продольно расположенных в саркоплазме трубочек, цистерн, пузырьков, стенки которых имеют типичное мембранное строение. Поперечная система саркоплазматического ретикулума представляет собой впячивание плазмалеммы, идущие внутрь в виде трубочек и охватывающие каждую фибриллу на уровне соединения А- и I-дисков в мышцах млекопитающих и на уровне Z-мембран у холоднокровных. По поперечным трубочкам саркоплазматического ретикулума возбуждение в виде волны деполяризации передается от поверхности волокна, возбуждаемой нервным импульсом, к миофибриллам.

Это подтверждается классическим опытом Хаксли с локальным раздражением мышечного волокна лягушки. Микроэлектродом наносили очень слабое подпороговое раздражение на различные участки волокна. Локальное сокращение нескольких миофибрилл возникало только в случае нанесения раздражения на уровне Z-мембран, где локализованы трубочки поперечного саркоплазматического ретикулума. От поперечногоретикулума возбуждение передается расположенному между фибриллами продольному ретикулуму, где локализован кальциевый насос. Предполагается, что в процессе проведения возбуждения по мембранам ретикулума основную роль играют не ионы натрия и калия, а ионы кальция и магния.