Біофізичні властивості м'язового скорочення

Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України

Кіровоградський державний  педагогічний університет 
імені Володимира Винниченка

 

 

Природничо-географічний факультет

Кафедра біології

 

 

 

 

Реферат

на тему:

"Біофізичні властивості м'язового скорочення"

 

 

 

Виконала:

 студентка 15 групи

           природничо-географічного

  факультету

     Банік Анастасія

                  перевірив:

     доцент Аркушина Ганна Феліксівна

 

 

 

 

 

 

 

Кіровоград – 2012 

ЗМІСТ

 

 

ВСТУП 3

1. Механічна  будова м'язу 4

2. Механізм  м'язового скорочення. Ізотонічне та ізометричне скорочення 7

3. Механічні  властивості м'язової тканини. 10

3.1. Моделювання  м’язів різних типів. 10

3.2. Пружність,  в’язкість, повзучість та релаксація  м’язів 14

4. Анатомо-фізіологічні  фактори, що визначають механічні властивості м'язів 17

ВИСНОВОК 21

Список використаних джерел 23

 

 

 

ВСТУП

 

Рух - одна із важливих і характерних  властивостей всього живого. Біофізичні механізми, які лежать в основі руху, дуже різноманітні. Розрізняють м'язові і нем'язові форми рухливості [1]. М’язова (грец. μιοδ — м'яз; лат. musculus — мишка, маленька миша)  активність є однією із загальних властивостей високоорганізованих живих організмів [5]. Дослідження процесу скорочення м'язів, зокрема з'ясування молекулярних механізмів трансформації хімічної енергії у механічну роботу, генерації сили та регуляції м'язового скорочення є актуальною проблемою біофізики біологічної рухливості [3].  Уся життєдіяльність людини пов’язана з м’язовою активністю, бо вона забезпечує роботу окремих органів і цілих систем: роботу опорно-рухового апарату, легенів,  судинну активність, роботу шлунково-кишкового тракту, скорочувальну властивість серця тощо. Порушення роботи м’язів може призвести до патології, а припинення їх роботи – навіть, до летального кінця (наприклад, смерть при електричній травмі від задушення через параліч дихальних м’язів) [2, c.121].

Два основні білки - актин  і міозин, які виконують функцію м’язової активності, складають біля 80% загального білка м’язу. Актин - міозиновий комплекс є наочним прикладом біологічної системи, де відбувається пряме перетворення хімічної енергії в механічну роботу. Крім того, на прикладі м'язової клітини можна добре вивчити і прослідкувати зв'язок процесів на плазматичній мембрані (збудження) з активацією специфічної функції клітини, в даному випадку з активацією скорочення, і роль в цьому процесі регуляторних білків та іонів Са²⁺. Актин і міозин наявність у всіх еукаріотичних клітинах. Ці білки забезпечують  рух як самих клітин, так і органел всередині них[1].

 

1. Механічна будова м'язу

 

Як відомо, м’язи є  різними за формою, розмірами, особливостями  прикріплення, величиною максимальної сили, яка ними розвивається. При  цьому саме анатомічні особливості  будови м’язів різних типів визначають їхні механічні властивості. Кількість  м’язів перевищує кількість ланок  тіла.

До складу м’язів входить  сукупність м’язових клітин (волокон):

• тонкі (діаметром 7 нм і довжиною 1 мкм), які складаються з трьох видів білку: актин, тропоміозін, тропонін (рис. 1.1.);
• товсті (діаметром 15 нм, довжиною 1,5 мкм), які мають у своєму складі лише один білок – міозин (весь комплекс міозинових молекул є однією з найбільших біологічних молекулярних структур, які відомі у природі) (рис. 1.2.);
• сполучна тканина  ендомізій, яка складається з волокон колагену і еластину, а також густа мережа нервових волокон і кровоносних судин. М’язові волокна через ендомізій утворюють спочатку первинний пучок, які, об’єднуючись, утворюють вторинний пучок. Товщина м’язових пучків залежить від кількості волокон. М’яз скріплюється з кісткою через сухожилля, яке тісно пов’язане з ендомізієм і поверхневою клітинною мембраною. Сухожилля складається з міцної волокнистої тканини.

 

Рис.1.1. Будова тонкої ниті міофібрили

 

 

 

Рис. 1.2. Будова молекули міозину

 

Скорочувальний апарат клітини  м’язу – це міофібрили. Міофібрили –це скорочувальні пучки нитей (товстих – міозінових і тонких  – актинових) діаметром приблизно 1 мкм; через спеціальні перегородки, які мають назву Z-пластинок, вони поділяються на саркомери довжиною біля 2,5 мкм. (рис. 1.3.).

 

 

 

 

Рис. 1.3. Будова міофібрили (поперечний зріз):

А – темні анізотропні  ділянки (складаються з товстих  і тонких нитей); І – світлі ізотропні ділянки (складаються з тонких нитей); Н – світла зона, яка не містить тонких нитей; Z – тонка пластина (мембрана), яка скріплює між собою кінці тонких нитей. Ділянки між двома Z – лініями – це саркомер.

За будовою м’язи поділяються  на 2 види: гладкі паралельно-волокнисті та поперечно-смугасті (поперечно-волокнисті.).

Основу  паралельно-волокнистих  м’язів складають веретеноподібні клітини з подовженим ядром, тонкі м’язові волокна представлені білками актину і тропоміозіну. Ці м’язи характеризуються тривалим скороченням і малою стомлюваністю. До них відносяться стінки внутрішніх органів (судин, шлунка, сечового міхура, деяких залоз).

Поперечно-волокнисті м’язи  складаються або з довгих (декілька см) багатоядерних волокон (скелетні м’язи), або з відносно коротких волокон (серцеві м’язи) з поперечно розташованими міофібрилами; тонкі ниті цих м’язів представлені, крім актину і тропоміозину, ще й тропоніном. До них відносяться скелетні м’язи, м’язи серця, м’язи, що міцно прикріплені до кісток і забезпечують рухи голови, тулуба, кінцівок. Поперечно-смугасті м’язи дуже тісно (анатомічно і фізіологічно) пов’язані зі скелетом, утворюючи разом з ним систему органів опори і руху.

М’язи, як фізичне тіло, мають  ряд механічних (пружність, жорсткість, міцність і релаксація) і біологічних (збудження, скорочення) властивостей, які відіграють важливу роль при виконанні рухів. Скорочуючись м’яз стає коротшим та товстішим, наближуючи точки прикріплення та розвиваючи при цьому силу.

З точки зору рухової діяльності м’яз складається з великої кількості рухових одиниць (волокон), кожна з яких управляється через власний мотонейрон.( рис. 1.4.).

 

Рис. 1.4. Будова м’язу  з точки зору рухової діяльності

Через це кількість управляючих  впливів у м’язовій (нервово-м’язовій) системі є великою. Незважаючи на це, система володіє унікальною надійністю і здатністю не тільки багаторазово повторювати одні й ті ж самі стандартні рухи, але і виконувати нестандартні рухи.

Кожне нервове волокно  може подразнювати не одну, а цілу групу м’язових волокон. Така група має назву моторної одиниці. Кількість м’язових волокон, що входять до складу моторної одиниці  у різних м’язах людини варіює в широких межах. Так, найменша кількість волокон – у моторних одиницях тих м’язів, які забезпечують здійснення дуже швидких і точних рухів (м’язи очного яблука, в яких м’ язи складаються з 3-6 м’язових волокон, пальці рук – де одне нервове волокно збуджує 10-25 м’язових волокон). У м’язах тулуба і кінцівок,  від яких залежить здійснення відносно нешвидких рухів і які не потребують такого контролю, моторні одиниці складаються з 500 і більше м’язових волокон.

Розрізняють  швидкі та  повільні моторні одиниці, які складаються відповідно зі швидких і повільних м’язових волокон. Тривалість електричного збудження у повільних волокнах є приблизно у 2 рази більшою, ніж у швидких; тривалість хвилі скорочення  – у 5 разів більшою, а швидкість скорочення приблизно у 2 рази меншою. Швидкість скорочення м’язів є неоднаковою залежно від їх функції [2, c. 121-124].

2. Механізм м'язового скорочення. Ізотонічне та ізометричне скорочення

 

Молекулярний механізм скорочення. Один грам тканини скелетного м’язу  містить приблизно 100 мг  «скорочувальних» білків  – актину (молекулярна  маса 42 000) і  міозину (молекулярна  маса 50 000). Механізм взаємодії під  час м’язового скорочення був  пояснений теорією ковзання (змінних) нитей, яка була розроблена Х. Хакслі і Дж. Хансоном (1954 р.). Суть цієї теорії  полягає у тому, що скорочувальні білки (тонкі актинові волокна і товсті міозинові волокна) при скороченні, як і при розтягуванні м’язу, не скорочуються, а рухаються паралельно  один одному. Тобто довжина актинових і міозинових волокон не змінюється. М’яз скорочується в результаті скорочення багатьох послідовно з’єднаних саркомерів у міофібрилах (рис. 2.1.).[2, c.124 -126]

 

 

Рис.2.1. Скорочення саркомеру: 1 – міозинова нить, 2 – активний центр,3 – актинова нить, 4 – міозинова голівка, 5 – Z-лінія;

а – взаємодія між тонкими  і товстими нитями відсутня, б – в присутності Ca²⁺ міозинова голівка зв’язується з активним центром на актиновій ниті; в – поперечні мостики схиляються і протаскують тонку нить відносно товстої, внаслідок чого довжина саркомеру зменшується; г – зв’язки між нитями розриваються за рахунок енергії АТФ, міозинові голівки є готовими до взаємодії з новими активними центрами.

 

 

 Проте, цей механізм не пояснює результатів експериментів, які вказують на зменшення довжини міозинового філаменту під час скороченнях [4].

На одиночний стимул м’яз відповідає одиночним скороченням. Тривалість одинокого скорочення  – 0,1 с. Як правило, у швидких м'язових волокнах більш розвинений саркоплазматичний  ретикулум, і вони є менш вакуолорязованими  – через що відбувається швидкий  викид кальцію. Повільні м’язи побудовані з більш мілких волокон. Вони називаються  червоними  через колір, що пов’язаний з високим вмістом міоглобіну.

Електрична відповідь  м’язу на подразнення (потенціал  дії) характеризується періодом рефлекторності  – коли м’яз  не відповідає на подразнення; в механічному ж скороченні такого періоду немає. Тому, якщо на м’яз наносити вторинне подразнення у той час, коли він ще не розслабився після  попереднього скорочення, можна спостерігати підвищення скорочення або сумацію. Розвинена при цьому напруга  буде вищою, ніж при одинокому  скороченні.

Ізотонічне та ізометричне  скорочення. Розповсюдження потенціалу дії за м’язовим волокном активізує  його скорочувальний апарат, внаслідок  чого волокно скорочується. Залежно  від умов,  за яких відбувається скорочення, розрізнюють два його типи: ізотонічне та ізометричне скорочення.

Ізотонічним називають таке  скорочення м’язу, за якого його волокна  скорочуються, а напруга залишається  постійною. Прикладом є вільне підняття м’язом важкого тіла, що зумовлює його поступову напругу. (рис. 2.2.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Ізотонічне скорочення

Ізометричним називається  таке  скорочення,  за якого м’яз скоротитися не може, наприклад, якщо обидва його кінці нерухомо закріплені. В цьому випадку довжина м’язових  волокон залишається незмінною, але напруга зростає (рис. 2.3.).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3. Ізометричне  скорочення

 

Природні скорочення м’язів ніколи не бувають чисто ізотонічним  або ізометричним через те, що м’язи, піднімаючи вантаж (наприклад, згинаючи кінцівку у суглобі), скорочуються і  разом з тим змінюють свою напругу. При виконанні роботи з переміщення  вантажу м’яз звичайно скорочується спочатку ізометрично, потім  – ізотонічно. Максимальний коефіцієнт корисної дії  при ізотонічних скороченнях  дорівнює приблизно 25 %. М’язи-згиначі  типа двоголового м’язу плеча  скорочуються ізотонічно, тобто зменшуються  у довжині, а чотирьох-головий  м’яз стегна напружується і скорочується в ізометричному режимі [2, c.126-128].

3. Механічні властивості  м'язової тканини.

 

3.1. Моделювання м’язів різних типів. Для розгляду механічних властивостей розглянемо модель м’язу. Поведінка гладких м’язів на напругу відповідає  моделі Максвела,що являє собою послідовне з’єднання поршня з пружиною (рис. 3.1.).

 

Рис.3.1.Механічна  модель гладких м’язів (модель Максвела): 1 –

скорочувальний компонент (актинові ниті), 2 – пружний компонент 

(сухожилля, міофібрили)

 

Тому гладкі м’язи можуть значно розтягуватись без особливої  напруги, що сприяє підвищенню об’єму порожнистих органів, наприклад, сечового міхура.

Залежність σ=f(ε) для цієї моделі є лінійною, тобто виконується  закон Гука (рис.3.2.):

σ – напруга

ε – деформація

Е – модуль Юнга (Е = 10⁵Па)

 

Рис. 3.2. Залежність між деформацією і напругою для гладких

м’язів

Для поперечно-волокнистих  м’язів властива  трикомпонентна модель  (рис. 3.3.) м’язу, в якій сполучнотнотканинні утворення мають механічний аналог у вигляді пружини (паралельний пружний компонент 1 на  рис. 3.3.). До цих  сполучнотканинних утворень відносяться: оболонка м’язових волокон і її пучків, сарколема і фасції. При скороченні м’язу утворюються поперечні актин-міозинові мостики, від кількості яких залежить сила скорочення м’язів. Актин-міозинові мостики скорочувальної компоненти зображуються на моделі у вигляді циліндру, за яким рухається поршень (2 рис..3.3.). Послідовна пружна компонента (3 рис..3.3.) моделює сухожилля і ті міофібрили (скорочувальні ниті, які складають м’яз), які на даний час не беруть участі у скороченні.

 

 

 

Рис .3.3. Трикомпонентна модель поперечно-волокнистого м’язу:

1 – паралельний пружний  компонент (сарколема, фасції); 2 - скорочувальний компонент (міозин-актинові ниті); 3 – послідовний пружний компонент (сухожилля, міофібрили)