Никиян. Конспект лекций Рекомендовано Ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Оренбургский государственный университет
 Скачать 0.65 Mb.
|
Наиболее изученными являются сократительные системы мышечной ткани. Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы по строению делятся на: гладкие -мышцы кишечника, стенки сосудов, и поперечно-полосатые -ске- летные, мышцы сердца. Независимо от строения все они имеют близкие ме- ханические свойства, одинаковый механизм активации и близкий химиче- ский состав. Поперечно-полосатая структура мышечных волокон может наблю- даться под обычным микроскопом. Отдельное мышечное волокно имеет диаметр от 20 до 80 мкм и окружено плазматической мембраной толщиной 10 нм. Каждое отдельное волокно – это сильно вытянутая клетка. Длина от- дельных волокон (клеток) может существенно варьироваться, в зависимости от вида мышцы, от сотен микрон до нескольких сантиметров. Внутри волок- на, кроме известных органелл (ядро, ядрышко, митохондрии, аппарат Голь- джи и др.), находятся сократительный аппарат клетки, состоящий из 1000– 2000 параллельно расположенных миофибрилл диаметром от 1 до 2 мкм, а также клеточные органеллы: саркоплазматический ретикулум и система по- перечных трубочек – Т-система. В миофибриллах различают: А-зону – темные полосы, которые в поля- ризованном свете дают двойное лучепреломление, то есть обладают свойст- вом анизотропии (отсюда и название: А-зона), I-зону – светлые полосы, не дающие двойного лучепреломления, то есть изотропные (отсюда название: I- зона). В области I-зоны проходит темная узкая полоса – Z-диск. Промежуток между двумя Z-дисками называется саркомером и является элементарной сократительной единицей мышечной клетки. Саркомер – это упорядоченная система толстых и тонких нитей, рас- положенных гексагонально в поперечном сечении. Толстая нить имеет тол- 74 щину 12 нм и длину 1,5 мкм и состоит из белка миозина. Тонкая нить имеет диаметр 8 нм, длину 1 мкм и состоит из белка актина, прикрепленного одним концом к Z-диску. Актиновая нить состоит из двух закрученных один вокруг другого мо- номеров актина толщиной по 5 нм. Эта структура похожа на две нитки бус, скрученные по 14 бусин в витке. В цепях актина регулярно примерно через 40 нм встроены молекулы тропонина, а сама цепь охватывает нить тропо- миозина. При сокращении мышцы тонкие нити вдвигаются между толстыми. Происходит относительное скольжение нитей без изменения их длины. Этот процесс обусловлен взаимодействием особых выступов миозина – попереч- ных мостиков с активными центрами, расположенными на актине. Мостики отходят от толстой нити периодично на расстоянии 14,5 нм друг от друга. В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропомиозина бло- кируют прикрепление поперечных мостиков к актиновым цепям. Ионы Са 2+ активируют мостики и открывают участки их прикрепления к актину. В ре- зультате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, расщепляют- ся молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки повора- чиваются внутрь саркомера. Это приводит к генерации силы, скольжению актина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызыва- ет укорочение мышцы. После окончания активации мостик размыкается, и саркомер возвращается в исходное состояние. При укорочении объем сарко- мера практически не меняется, а, следовательно, он становится толще, что и подтверждается на снимках поперечного сечения мышц с помощью элек- тронной микроскопии. Каждый цикл замыкание-размыкание сопровождается расщеплением одной молекулы АТФ. Таким образом, актин-миозиновый комплекс является механохимическим преобразователем энергии АТФ. Рас- смотренная структура и последовательность процессов называется моделью скользящих нитей. Впервые скольжение нитей в саркомере было обнаружено английским ученым Х.Хаксли. Он же сформулировал модель скользящих нитей. Суще- 75 ственный вклад в разработку теории скользящих нитей внес В.И. Дещерев- ский. Основные положения модели скользящих нитей: 1 Длины нитей актина и миозина в ходе сокращения не меняются. 2 Изменение длины саркомера при сокращении – результат относи- тельного продольного смещения нитей актина и миозина. 3 Поперечные мостики, отходящие от миозина, могут присоединяться к комплементарным центрам актина. 4 Мостики прикрепляются к актину не одновременно. 5 Замкнувшиеся мостики подвергаются структурному переходу, при котором они развивают усилие, после чего происходит их размыкание. 6 Сокращение и расслабление мышцы состоит в нарастании и после- дующем уменьшении числа мостиков, совершающих цикл замыкание- размыкание. 7 Каждый цикл связан с гидролизом одной молекулы АТФ. 8 Акты замыкания-размыкания мостиков происходят, не зависимо друг от друга. 7.1 Биомеханика мышцы Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, со- стоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно обладает свойством упругости и вязкости, то есть является вязко-упругой средой. Для такой среды предполагаются справедливыми законы классиче- ской механики. Фундаментальными понятиями механики сплошных сред являются деформация, напряжение, упругость, вязкость, а также энергия и температу- ра. 76 Упругость– свойство тел менять размеры и форму под действием сил и самопроизвольно восстанавливать их при прекращении внешних воздейст- вий. Упругость тел обусловлена силами взаимодействия его атомов и моле- кул. При снятии внешнего воздействия тело самопроизвольно возвращается в исходное состояние. Вязкость – внутреннее трение среды. Вязкоупругость– это свойство материалов твердых тел сочетать упру- гость и вязкость. Деформация– относительное изменение длин: ε = Δl/l, (7.1) где l – начальная длина, Δl – значение удлинения. Напряжение механическое– мера внутренних сил, возникающих при деформации материала. Для однородного стержня: σ = F/S, (7.2) где S – площадь сечения, F – сила, приложенная к стержню. Упругая деформация возникает и исчезает одновременно с нагрузкой и не сопровождается рассеянием энергии. Для упругой деформации справед- лив закон Гука: σ у = εЕ, (7.3) где Е – модуль Юнга, определяемый природой вещества. При растяжении различных материалов, в общем случае, Е = f(ε). При малых растяжениях считают Е = const. В случае вязкой среды напряжение σ в определяется скоростью дефор- мации: 77 dt d в (7.4) где η – коэффициент вязкости среды. Для вязкоупругой деформации характерна явная зависимость дефор- мационного процесса от процесса нагружения во времени, причем при сня- тии нагрузки деформация с течением некоторого времени самопроизвольно стремится к нулю. Для исследования характеристик сокращающихся мышц используют два искусственных режима: 1 Изометрический режим, при котором длина мышцы постоянна, а ре- гистрируется развиваемая сила. 2 Изотонический режим, при котором мышца поднимает постоянный груз, а регистрируется изменение ее длины во времени. При изометрическом режиме с помощью фиксатора предварительно устанавливают длину мышцы. После установки длины на электроды подает- ся электрический стимул и с помощью датчика регистрируется функция. Максимальная сила, которую может развивать мышца, зависит от ее начальной длины и области перекрытия актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики: при начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики. Поэтому максимальная сила генерируется тогда, когда мышца предва- рительно растянута на установке так, чтобы длины ее саркомеров были близки к 2,2 мкм. При изотоническом режиме к незакрепленному концу мышцы подве- шивают груз. После этого подается стимул и регистрируется изменение дли- ны мышцы во времени. Чем больше груз, тем меньше укорочение мышцы и короче время удержания груза. При некоторой нагрузке мышца совсем перестает подни- мать груз; это значение и будет максимальной силой изометрического со- кращения для данной мышцы. 78 Зависимость скорости укорочения от нагрузки является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энергетики. Она была подробно изучена при разных режимах сокращения Хиллом. a P P P b P V ) ( ) ( 0 (7.5) Выражение (7.5) называется «уравнение Хилла» и является основным характеристическим уравнением механики мышечного сокращения. Р о – максимальное изометрическое напряжение, развиваемое мышцей, или мак- симальный груз, удерживаемый мышцей без ее удлинения; b – константа, имеющая размерность скорости, а – константа, имеющая размерность силы. Из уравнения следует, что максимальная скорость развивается при Р = 0: a bP V 0 max (7.6) При Р = Р о получаем V = 0, то есть укорочение не происходит. Работа, производимая мышцей при одиночном укорочении на величину Δl равна: А = PΔl. Эта зависимость, очевидно, нелинейная, так как V = f(P). Но на ранней фазе сокращения можно пренебречь этой нелинейностью и считать V = const. Тогда Δl = VΔt, а развиваемая мышцей мощность W=dA/dt имеет вид: W = PV. В результате получаем зависимость мощности от развиваемой силы: a P P P b P PV P W ) ( ) ( 0 (7.7) Мощность равна нулю при Р = Р 0 и Р = 0 и достигает максимального значения при оптимальной величине нагрузки Р опт : 79 a a P a P опт ) ( 0 (7.8) Эффективность работы мышцы при сокращении может быть опреде- лена как отношение совершенной работы к затраченной энергии: Е А м (7.9) Развитие наибольшей мощности и эффективности сокращения дости- гается при усилиях 0,3-0,4 от максимальной изометрической нагрузки для данной мышцы. Практически эффективность может достигать значений 40- 60 % для разных типов мышц. Самая высокая эффективность наблюдается у мышц черепахи, достигающая от 75 % до 80 %. Кинетические свойства мышцы.Стационарное сокращение имеет характер пластического течения. В нестационарных условиях проявляются упругие свойства мышцы. Так, в опытах по быстрому отпуску (quick release), в которых изометрически сокращенная мышца освобождается и испытывает быстрое изотоническое сокращение, наблюдаются медленно затухающие ко- лебания. Частота этих колебаний порядка килогерц для мышц, длиною в не- сколько сантиметров. Возникновение колебаний в мышце может определяться нелинейно- стью нестационарных кинетических уравнений, не содержащих упругости в явном виде. Возможность колебаний обусловлена в этом случае кинетикой замыкания и размыкания мостиков. С другой стороны, сам мостик является вязкоупругой системой. Напряжение, генерируемое замкнутым мостиком, может изменяться шаг за шагом, в зависимости от угла, под которым «го- ловка» располагается относительно актина, а также от степени растяжения. Таким образом, причина колебаний при быстром отпуске состоит в упругой деформации самого мостика. 80 7.2 Электромеханическое сопряжение в мышцах Электромеханическое сопряжение – это цикл последовательных про- цессов, начинающийся с возникновения потенциала действия (ПД) на сарко- лемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы. В качестве примера рассмотрим процессы, обеспечивающие сокра- щение кардиомиоцита. Процесс сокращения кардиомиоцита: 1) при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются бы- стрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na + входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны; 2) в результате деполяризация плазматической мембраны в ней и в Т- трубочках открываются потенциалзависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са 2+ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация 2∙10 -3 моль/л, внутрь клетки (внутриклеточная концентрация Са 2+ 10 7 моль/л); 3) кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану саркоплазма- тического ретикулума (СР), являющегося внутриклеточным депо ионов Са 2+ (в СР их концентрация достигает 10 3 моль/л), и высвобождает кальций из пу- зырьков СР, в результате чего возникает так называемый «кальциевый залп». Ионы Са 2+ из СP поступают на актин-миозиновый комплекс миофибрилл, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера; 4) по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы Са 2+ с помо- щью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно заканчива- ются внутрь саркоплазматического ретикулума; 5) процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К + пассивно выходит из клетки, вызывая реполяризацию мембраны; 6) ионы Са 2+ активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы. 81 Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Опыты показали, что: 1) отсутствие потока кальция извне клетки прекращает сокращение саркомеров; 2) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирую- щему изменению силы сокращения. Поток ионов Са 2+ внутрь клетки выполняет таким образом две функ- ции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомио- цита и участвует в процессе электромеханического сопряжения. Следует отметить, что не во всех мышечных клетках организма про- цесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мыш- цах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам. Изменения мембранного потенциала во время деполяризации че- рез Т-систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вызывая залповое высвобождение ионов Са 2+ и дальнейшую активацию со- кращения. Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов Са 2+ и внутриклеточных депо – саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспе- риментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присутствии ионов Са 2+ белка экворина, который был выделен из светящихся медуз. Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной – несколько больше (до 100 мс). 82 8 Моделирование биофизических процессов При изучении сложных систем исследуемый объект может быть заме- нен другим, более простым, но сохраняющим основные, наиболее сущест- венные для данного исследования свойства. Такой более простой объект ис- следования называется моделью. Модель – это всегда некое упрощение объ- екта исследования и в смысле его структуры, и по сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающее те основные свойства, которые интересуют исследователя. Моделирование - это метод, при котором производится замена изуче- ния некоторого сложного объекта (процесса, явления) исследованием его модели. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретический, так и экспериментальный. Основные этапы моделирования можно свести к следующим: 1 Первичный сбор информации. Исследователь должен получить как можно больше информации о разнообразных характеристиках реального объекта: его свойствах, происходящих в нем процессах, закономерностях поведения при различных внешних условиях. 2 Постановка задачи. Формулируется цель исследования, основные его задачи, определяется, какие новые знания в результате проведенного ис- следования хочет получить исследователь. Этот этап часто является одним из наиболее важных и трудоёмких. 3 Обоснование основных допущений. Другими словами, упрощается реальный объект, выделяются из характеристик не существенные для целей исследования, которыми можно пренебречь. 4 Создание модели, ее исследование. 5 Проверка адекватности модели реальному объекту. Указание границ применимости модели. 83 Таким образом, модель как бы согласовывает реальный объект с целью исследования: с одной стороны, упрощает объект, давая возможность про- вести исследование, но с другой – сохраняет то главное, что интересует ис- следователя. В биофизике, биологии и медицине часто применяют физические, био- логические, математические модели. Физическая модель имеет физическую природу, часто такую же, что и исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируются движением жидкости по трубам (жестким или эластичным). При моделиро- вании электрических процессов в сердце его рассматривают как электриче- ский токовый диполь. Для изучения процессов проницаемости ионов через биологические мембраны реальная мембрана заменяется искусственной (на- пример, липосомой). Липосома – физическая модель биологической мем- браны. Физические устройства, временно заменяющие органы живого орга- низма, также можно отнести к физическим моделям: искусственная почка – модель почки, кардиостимулятор – модель процессов в синусовом узле сердца, аппарат искусственного дыхания – модель легких. Биологические модели представляют собой биологические объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свой- ства, закономерности биофизических процессов реальных сложных объектах. Например, закономерности возникновения и распространения потенциала действия в нервных волокнах были изучены только после нахождения такой удачной биологической модели, как гигантский аксон кальмара. Опыт Усин- га, доказывающий существование активного транспорта, был проведен на биологической модели – коже лягушки, которая моделировала свойство био- логической мембраны осуществлять активный транспорт. Закономерности миокарда устанавливают на основе модельных экспериментов на папилляр- ной мышце. Математические модели – описание процессов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных. Для 84 реализации математических моделей в настоящее время широко использу- ются компьютеры. С помощью ЭВМ проводят так называемые «машинные эксперименты», при исследовании патологических процессов в кардиологии, развития эпидемий и т.д. При этом можно легко изменять масштаб по вре- мени: ускорить или замедлить течение процесса, рассмотреть процесс в ста- ционарном режиме, как это предложено в модели сокращения мышцы (мо- дель Дещеревского), и по пространству. Например, ввести локальную кон- фигурацию зоны патологии. Измеряя коэффициенты или вводя новые чле- ны в дифференциальные уравнения, можно учитывать те или иные свойства, так, например, получать лекарственные препараты более эффективного дей- ствия. С помощью ЭВМ можно решать сложные уравнения и прогнозиро- вать поведение системы: течение заболевания, эффективность лечения, дей- ствия фармацевтического препарата и т.д. Основные требования, которым должна отвечать модель. 1. Адекватность – соответствие модели объекту, то есть модель должна с заданной степенью точности воспроизводить закономерности изу- чаемых явлений. Анализ адекватности должен проводиться и при выборе модели, и при сравнении результатов моделирования с поведением объекта. 2. Должны быть установлены границы применимости модели, то есть четко заданы условия, при которых выбранная модель адекватна изу- чаемому объекту, поскольку ни одна модель не дает исчерпывающего опи- сания объекта. Границы применимости определяются теми допущениями, которые делаются при составлении модели. Как правило, чем больше допу- щений, тем уже границы применимости. Так, например, липосома является адекватной моделью биологической мембраны, если изучается проницае- мость липидного бислоя мембран для различных веществ. Если же цель ис- следования – электрогенез в клетках, то в этом случае липосома не адекват- ная модель, границы ее применимости не удовлетворяют целям исследова- ния. 85 Уравнением Нернста удовлетворительно описывает мембранную раз- ность потенциалов для клетки, находящийся в покое, то есть в равновесном состоянии, тем самым являясь адекватной математической моделью системы в данном состоянии. Если же рассмотреть фазу деполяризации потенциала действия, когда состояние системы далеко от равновесного и идет поток ио- нов в клетку, это уравнение становится не адекватным данному процессу. Адекватной математической моделью процесса формирования потенциала действия в аксоне кальмара является модель Ходжкина – Хаксли. Результатом моделирования является получение новых данных о про- текании изучаемого процесса, его свойствах. Результат моделирования, как правило, не дает исчерпывающих сведений об изучаемом объекте, но углуб- ляет наши знания о нем, позволяет проводить дальнейшие более сложные исследования. Так, например, в уравнении трехкомпонентной модели Хилла было показано существование вязкой компоненты при сокращении мышцы. В биологии и медицине важное значение имеют модели роста числен- ности и фармакокинетическая модель. |