Лекция Биофизика. Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие

• Название: Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
• Анкор: Лекция Биофизика
• Дата: 21.03.2021
• Размер: 1.98 Mb.
• Имя файла: Лекции по биофизике.pdf
• Тип: Лекции; #186920
• страница: 16 из 18

Основные пути поступления ионов кальция в ГМК:
1.Кальциевые каналы плазматической мембраны:
А.
Потенциал-зависимые
инактивирующиеся кальциевые каналы, ответственные за генерацию потенциалов действия.
Б. Потенциал-зависимые неинактивирующиеся кальциевые каналы, обеспечивающие станционарный ток ионов кальция через деполяризованную мембрану.
В. Хемочувствительные (рецептор-управляемые) кальциевые каналы, открывающиеся при активации мембранных рецепторов.
2. Немитохондриальное депо:
А. Саркоплазматических ретикулум (СПР).
Б. Примембранные слои.
В. Внутриклеточные везикулы-кальцисомы.
Основные пути удаления ионов кальция из ГМК:

146 1. Кальциевые насосы плазматической мембраны и СПР.
2. Натрий-кальциевый обмен.
Молекулярные механизмы сокращения ГМК.
Основным акцептором Са
2+
в цитоплазме ГМК является кальмодулин, который после связывания 4 ионов кальция взаимодействует с регуляторными белками – киназой легких цепей миозина и кальдесмоном.
Активированная таким образом киназа легких цепей миозина фосфорилирует регуляторные легкие цепи миозина и тем самым активирует Mg
2+
-зависимую
АТФ-азу миозина, тем самым, осуществляя сокращение актин-зависимым
способом.
Однако в покоящейся мышце участки взаимодействия с миозином экранированы лежащим вдоль актинового тяжа комплексом тропомиозина с кальдесмоном. Поэтому вторым необходимым условием активации актомиозина является такое изменение конформации кальдесмона, которое, по все видимости, освобождает тропомиозин, следствием чего является экспонирование миозин-связывающих участков на актине. Это происходит при взаимодействии кальдесмона с комплексом кальций-кальмодулин, или сходным с ним другим кальций-связывающим белком.
Таким образом, развитие сокращения гладких мышц требует одновременной активации как миозина путем его прямого фосфорилирования, так и актина путем устранения ингибирующего действия кальдесмона. То есть при высокой степени активации миозина кальдесмон может лишь тормозить, но не способен полностью блокировать его кооперативное связывание с актином.
Снижение внутриклеточной концентрации кальция сопровождается диссоциацией комплексов кальмодулина с киназой легких цепей миозина и кальдесмоном, ее инактивацией и восстановлением ингибирующего действия кальдесмона. Последующее дефосфорилирование легких цепей миозина специфичной, кальций-независимой фосфатазой легких цепей миозина и переход тонких филаментов в неактивное состояние определяет расслабление ГМК. Как и в случае активации сокращения, основным условием релаксации является дефосфорилиривание миозина, тогда как кальдесмон-зависимая инактивация тонких филаментов может ускорять расслабление.
Однако хорошо известно, что сила сокращения ГМК не всегда прямо пропорциональна внутриклеточной концентрации ионов кальция. Изменяя чувствительность сократительного аппарата ГМК к ионам кальция при его фактическом постоянстве, можно как бы модулировать изменения внутриклеточного уровня кальция. В настоящее время рассматриваются несколько механизмов, обеспечивающих увеличение кальциевой чувствительности сократительного аппарата.
1. Механизм связанный с активацией протеинкиназы С диацилглицеролом. Мишенями протеинкиназы С могут быть все основные

147 белки регуляторы гладкомышечного сокращения – киназу и фосфорилазу легких цепей миозина, кальдесмон и регуляторные цепи миозина:
2. Активация мономерных G-белков семейства Rho и ингибирующим фосфорилированием фосфорилазы легких цепей миозина
Rho- протеинкиназой.
3. Феномен защелки. Этот механизм постулирует специфичное для
ГМК образование нециклирующих дефосфорилированных актомиозиновых мостиков.
Причем миозин дефосфорилируется в составе уже сформированных и находящихся в состоянии сильного связывания мостиков, что приводит к существенному уменьшению константы скорости диссоциации головок миозина и образованию так называемых защелкнутых мостиков.
Однако in vivo, тонический сократительный ответ ГМК достигается при комбинации всех механизмов.
Сократительная и электрическая активность ГМК регулируется множеством физиологически и биологически активных веществ. Реализация их эффектов на гладкомышечные клетки осуществляется с участием систем вторичных посредников.
Активация цАМФ-зависимой сигнальной системы угнетает сокращения
ГМК из-за:
1. Повышения калиевой проводимости мембраны
– ее гиперполяризация.
2. Стимуляции работы кальциевых насосов плазматической мембраны и
СПР.
3. Снижение сродства фосфорилированной киназы легких цепей миозина к кальмодулину.
4. Снижения чувствительности сократительного аппарата ГМК к ионам кальция.
5. Активации работы натрий-калиевой АТФ-азы.
Активация кальциевой сигнальной системы:
1. Стимулирует работу кальциевого насоса плазматической мембраны и
СПР.
2. Комплекс кальций-кальмодулин способен потенцировать кальций- зависимую калиевую проводимость мембраны ГМК
3. Комплекс кальций-кальмодулин участвует в кальций-зависимой инактивации кальциевых каналов.
Сигнальная система, связанная с метаболизмом мембранных
фосфоинозитидов
1. Ионозитол-1,4,5,-трифосфат индуцирует освобождение Са
2+
из СПР.
2. Стимулирует деятельность кальциевого насоса, обеспечивая реабсорбцию кальция.

148 3. Активация протеинкиназы С оказывает угнетающее влияние на кальциевые каналы, метаболизм мембранных фосфоинозитидов, снижает сродство рецепторов к агонистам рецепторов.
4. Активация протеинкиназы С повышает калиевую проводимость мембраны из-за активации натрий-протонного обмена.
Активация
цГМФ-зависимой
сигнальной
системы
связана
с
метаболизмом оксида азота и вызывает:
1. Модулирующее влияние на кальциевую проводимость мембраны
2. Снижает сродство киназы легких цепей миозина к кальмодулину.
3. Увеличивает калиевую проводимость мембраны
4. Ингибирует активность некоторых изоформ протеинкиназы С
5. Снижает активность фосфолипазы С
6. модулирует активность натрий-калиевого насоса
Особенности биомеханики сокращения ГМК.
Потребление АТФ гладкомышечными клетками (у теплокровных) животных в сокращенном состоянии почти в 1000 раз меньше чем в скелетных мышцах.
Сила, развиваемая гладкой мышцей, определяется следующими факторами
1. агентом, вызывающим активность
2. концентрацией этого агента
3. начальной длинной мышцы.
Имеется оптимальная длина L
0
мышцы, при которой развиваемая ей сила, достигает максимума при действии агониста в данной концентрации.
В отличие от скелетной мышцы, при длинах меньших L
0
ГМ генерирует большую силу, чем скелетная, а при длинах больших, чем L
0
, активная сила
ГМ падает более полого, чем скелетной.
Тест–задания
1. Поперечная исчерченность скелетной мышцы обусловлена:
A. Оптической активностью сократительных белков
B. Упорядоченным расположением миофибрилл
C. Размером саркомеров
2. В генезе потенциала действия скелетного мышечного волокна принимают участие ионы:
A. Калия
B. Кальция
C. Натрия
D. Хлора
3. К сократительным белкам относятся:
A. Актин
B. Тропонин С
C. Тропомиозин
D. Миозин

149
E. Филамин
4. К регуляторным белкам относятся:
A. Актин
B. Тропонин С
C. Тропомиозин
D. Миозин
E. Филамин
5. Глобулярный актин (g – актин) – это:
A. Пространственная структура фибриллярного актина
B. Мономеры, из которых построен фибриллярный актин
C. Суперспираль тонкой протофибриллы
6. Фибриллярный актин (f – актин) – это:
A. Вторичная структура актина
B. Мономеры, из которых построен глобулярный актин
C. Суперспираль тонкой протофибриллы
7. Ионы кальция взаимодействуют:
A. С миозином
B. С тропонином С
C. С тропромиозином
8. Укорочение саркомера происходит за счет:
A. Укорочения толстых протофибрилл
B. Укорочения тонких протофибрилл
C. Взаимного скольжения протофибрилл
9. Источником энергии для сокращения мышцы может являться:
A. АТФ
B. АДФ
C. Креатинфосфат
10. В отсутствие кальция взаимодействию актина и миозина препятствуют:
A. Тропонин Т
B. Тропонин С
C. Тропомиозин
11. Основная роль Т-трубочек:
A. Аккумуляция ионов кальция
B. Передача возбуждения к ретикулуму
C. Увеличение емкости мембраны
12. Высвобождение кальция из ретикулума в скелетных мышцах стимулируют:
A. Продукты метаболизма фосфоинозитидов
B. Ионы кальция
C. Катехоламины
13. В скелетной мышце кальций, активирующий сокращение:
A. Поступает из внеклеточного пространства
B. Высвобождается из ретикулума
C. Высвобождается из связанного с белками состояния
14. Реабсорбцию кальция в ретикулум обеспечивают:
A. Na – Ca обмен

150
B. Ca – Mg – АТФ-аза
C. Кальциевые каналы
15. Сокращение, при котором изменяется только длинна мышцы, называется:
A. Изометрическое
B. Изотоническое
C. Ауксотоническое
16. Сокращение, при котором изменяются длинна и тонус мышцы, называется:
A. Изометрическое
B. Изотоническое
C. Ауксотоническое
17. Уравнение Хилла устанавливает зависимость между:
A. Длинной мышцы и скоростью сокращения
B. Длинной мышцы и силой сокращения
C. Силой и скоростью сокращения
18. Двигательная единица включает:
A. Расположенные рядом мышечные волокна
B. Нейрон, аксон и мышечное волокно
C. Нейрон, аксон и группу мышечных волокон
19. Под «активным состоянием» мышцы подразумевают:
A. Замыкание актомиозиновых мостиков
B. Гидролиз АТФ
C. Генерацию механического напряжения
20. Волокна миокарда представляют собой:
A. Одну многоядерную клетку
B. Выстроенные в цепочку одноядерные клетки
C. Беспорядочно расположенные клетки
Правильные варианты ответов
1.
A, B
2.
A, C
3.
A, D
4.
B, C
5.
B
6.
C
7.
B
8.
C
9.
A, C
10. C
11. B
12. A
13. B
14. B
15. B
16. C
17. C
18. C
19. C
20. B

151
XI. БИОФИЗИКА КРОВООБРАЩЕНИЯ
Введение. Классификация сосудистого русла
Кровеносные сосуды обеспечивают важнейшую функцию доставки питательных веществ и кислорода к тканям и выведения углекислого газа и продуктов метаболизма из организма. Кроме того, они обеспечивают гуморальную регуляцию различного рода процессов тканей и органов, доставляя к клеткам-мишеням физиологически активные вещества (ФАВ).
Кровь не даром получила образное название «зеркало здоровья», отражающее функциональное состояние всех органов и тканей и немедленно сигнализирующее о возникающих нарушениях в самом начале их развития.
Морфологическая
классификация предусматривает разделение сосудистого русла на артериальный и венозный отдел, выраженность гладкомышечного слоя (сосуды мышечного, эластичного и смешанного типа).
Функционально подразделение сосудистого можно представить следующей последовательностью: сосуды котла (аорта), сосуды сопротивления
(артерии, артериолы), сосуды капиллярного кровоснабжения, венулы и сосуды депо (крупные вены).
Сосуды котла обеспечивают поступление из сердца потока крови с наименьшими потерями. По этой причине их стенки имеют преимущественно эластичные структуры и мало способны к регулируемому ФАВ изменению просвета.
Сосуды сопротивления, к которым относятся артериолы или прекапиллярные сосуды сопротивления, играют значительную роль в поддержании гидростатического давления крови любого участка сосудистого русла. Это происходит за счет высокой способности к смене напряжения гладкомышечного слоя стенки сосудов. Смена напряжения происходит в результате воздействия гормонов или других биологически активных веществ на тонус кровеносных сосудов с последующими изменениями их просвета и скорости кровотока.
Сосуды капиллярного кровоснабжения микроциркуляторного русла непосредственные участники функции доставки питательных веществ и кислорода к тканям и выведения углекислого газа и продуктов метаболизма из организма. Особенности их организации и регуляции позволяет артериальной крови постоянно осуществлять этот необходимый обмен с тканевой жидкостью.
Венулы и сосуды депо (крупные вены) обеспечивают возврат крови к сердцу. Более медленное течение в этот отделе кровеносного русла также обеспечивается морфологическими и функциональными особенностями.
Например, наличие клапанного аппарата и спонтанной периодической активности мышечного слоя венозного отдела способствует возврату крови в предсердие правого отдела миокарда, прохождению через малый круг кровообращения и поступлению артериальной крови в аорту большого круга.

152
Работа сердца как насоса
Основной двигатель переноса крови по сосудам – сердце. Его желудочки в момент систолы создают градиенты давления в малом и большом круге кровообращения, причем, левый желудочек выполняет работу в 6 раз больше, чем правый.
Работа (А) по выбросу крови в аорту при выборе сердца аналогом насоса равна:
PdV
A
, где:
Р– давление в аорте, dV-ударный (систолический) объем крови – количество крови, выброшенное в аорту за одно сокращение (систолу) желудочка.
Энергетика кровообращения
Согласно закону Бернулли на движущуюся по сосудам кровь может оказывать свое влияние ряд факторов:
1.Гидростатичекая составляющая – pV,
2.Гидродинамическая составляющая –
2 2
m V
, ( m – масса и v – скорость движения крови),
3.Потенциальная составляющая – mgh (h – высота, g – ускорение сводного падения).
Тогда общая энергия будет равна (c учетом: m= ρV):
Vgh
v
V
PV
mgh
mv
PV
E
2 2
2 2
В любой точке кровеносного русла удельная энергия Е
1
имеет размерность давления и, разделив Е на V получим:
gh
v
P
E
2 2
1
и дополнительно разделив на ρg, получим:
h
g
v
g
P
E
2 2
1
По закону непрерывности струи Бернулли:
Е
1
=Е
2
, тогда
1 2
1 1
2
h
g
v
g
P
=
2 2
2 2
2
h
g
v
g
P
;
Лишь при переходе через сердце кровь получает дополнительно энергию:
1 2
2 1
2 2
1 2
2 1
2
h
h
g
v
v
g
P
P
E
E
H
Анализируя круги кровообращения на уровне входа и выхода из сердца: h
1
= h
2
, Р
1
и v
1
=0, в итоге:
1 2
2 1
2 2g
v
g
P
H
Возвращая в уравнение Vρg,, получим, что общая энергия (Е) равна:

153
V
v
PV
E
2 2
1
То есть, гидростатическая компонента движения крови действительно является ее самой энергозатратной составляющей.
Основные положения гемодинамики. Закон Гагена–Пуазейля
На движущийся в сосуде удельный цилиндр крови по закону Ньютона влияет несколько сил:
1.Движущая-гидростатическая:
PV
r
F
p
2
, где: r
2
=S-площадь цилиндра,
2.Препятствующая- вязкости:
dr
dv
rl
F
v
2
, где:
S-площадь соприкосновения цилиндра c окружающей жидкостью S=2πrl, dv/dr-скорость движения жидкости.
Так как, по закону Ньютона на движущуюся равноускоренно жидкость, то:
F
в
= -F
д
, тогда:
-
PV
r
2
=
dr
dv
rl
2
и после алгебраических преобразований и интегрирования:
-
rdr
l
P
dv
2
и
C
r
l
P
v
2 4
- С учетом константы интегрирования v=0 при r=R:
-
)
(
4 2
2
r
R
l
P
v
– уравнение параболы.
Скорость движения жидкости максимально в центре оси.
Объем жидкости (Q) равен интегралу по поверхности вращения этой функции:
-
R
vdr
Q
0 2
и, подставив сюда значения уравнения параболы, получим:
-
dr
r
R
r
l
P
Q
R
)
(
4 2
2 2
0
и после алгебраических преобразований и интегрирования:
l
P
R
Q
8 4
. закон Гагена-Пуазейля: расход крови в сосудах
пропорционален градиенту давления и радиусу сосуда в четвертой степени и
обратно пропорционален вязкости и длине сосуда.
- Периферическим сопротивлением является выражение:
-
4 8
R
l
w
- Оно согласуется с уравнением Гагена-Пуазейля следующим образом:
-
P
w
Q
1

154
Применимость закона Гагена–Пуазейля
1.Выведен для гомогенной жидкости,тогда как кровь суспензия и состоит из плазмы и форменных элементов и их соотношение определяет гематокрит –Ф. Вязкость суспензии (η
s
) в этом случае рассчитывается с учетом
К:
)
1
(
KФ
S
, где:
η – вязкость плазмы, К-коэффициент, который меняется в зависимости от формы содержащейся в плазме структур: для сферы – 0,25; для дисков – 0,206.
2. Верен только для ламинарного течения жидкости, где dv/dr=const.
При повышении скорости движения жидкости до критической величины
(v кр
) вероятность перехода ламинарного движения в турбулентное возрастает и определяется безразмерным числом Рейнольдса (R
e
):
кр
e
v
R
R
2
, где: r – радиус сосуда, ρ – плотность жидкости .
3.Периодичность деятельности сердца не может не влиять на градиент давления, хотя он и поддерживается клапанным аппаратом.
4.Изменение геометрии сосудистого русла (r и l), обусловленное упруго- вязкими свойствами стенок сосудов. Модуль упругости стенок сосудов – интегральный показатель жесткости стенок сосудов, имеет диагностическое значение, так как изменяется при атеросклерозе, увеличивая скорость распространения пульсовой волны.