биофизика

Конвекция

Q = (T1 – T2) Vвозд0.5

где: T1 – температура тела, T2 – температура воздуха, Vвозд – скорость движения воздуха, - коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости движения воздуха, кривизны поверхности тела и давления.

Регулирование температуры

Имеется много регулирующих воздействий, оказывающих влияние на температуру тела (см. рис.). Так, теплопродукция определяется процессами окисления в мышцах и внутренних органах, а на теплоотдачу влияет изменение величины поверхности тела за счет сосудов кожи, дыхание, управляемое с помощью системы дыхания, потоотделение через потовые железы, изменение интенсивности кровотока. Минимальная теплопродукция человека составляет 1600-1800 ккал/сутки. Она может увеличиваться во много раз (до 14000 ккал) в результате интенсивной мышечной деятельности.

Ворганизме имеется несколько измерительных элементов. Один из них находится

вгипоталамусе и омывается кровью из внутренних областей тела – мозговой центр терморегуляции. В нем находятся нервные образования - терморецепторы, расположенные по соседству с центрами терморегуляции. Нагревание их выше нормы приводит к усилению процессов теплоотдачи, повышению интенсивности кровотока и уменьшению теплопродукции. Сравнивающее и измерительное устройства объединены в одно целое, поэтому центры терморегуляции выдают сигнал тогда, когда температура внутренней среды отклонилась от нормы. Норма определяется системой более высокого уровня в иерархической структуре управления организмом в виде целевой функции для системы терморегуляции.

Сигналы управления подсистемами, регулирующими теплоотдачу (органы дыхания, потовые железы, сосуды кожи и т. д.), передаются через систему двигательных нервов и вегетативную нервную систему. Они вызывают расширение или сужение кожных сосудов, регулируют потоотделение и тонус мышц.

Другой тип термочувствительных элементов - терморецепторы (холодовые и тепловые), расположенные на наружном кожном покрове и связанные с центром терморегуляции. Они реагируют как на абсолютное значение и знак внешней температуры так и на скорость ее изменения. Благодаря этому механизмы регуляции приводятся в действие уже через несколько секунд после начала воздействия

81

температурного возмущения, пока оно не достигает "сердцевины" организма. При быстрых температурных возмущениях возможна интенсивная регуляция.

Структуру системы терморегуляции можно отобразить в виде, аналогичном общей структуре функциональной системы. В качестве конечного полезного эффекта выступает температура внутренней среды организма. Из рисунка видно, что эффекторные воздействия осуществляют подсистемы, включенные одновременно в другие функциональные системы организма: систему двигательных нервов, системы дыхания, кровообращения и т. д. Следовательно, эффективность функционирования системы терморегуляции зависит от эффективности функционирования других систем.

Можно отметить, что при сильных воздействиях на организм, эффект зависимости функционирования системы терморегуляции ох других систем может проявляться в виде доминирующих и конкурентных отношений. Например, интенсивная физическая работа и жаркая погода могут вызвать резкое падение артериального давления (коллапс). Известны также явления перенастройки заданной величины температуры тела в течение суток с 36,5°С в ранние утренние часы до 37,5°С в поздние вечерние, нарушение качества терморегуляции путем прямого воздействия на центральную нервную систему (самогипноз, алкоголь) и т. д. Все эти явления характеризуют сложность и неоднозначность алгоритмов управления в живых системах.

82

Тема 5. Мышечное сокращение

Структура мышцы и мышечных белков

Актин-миозионовая система образована актиновыми и миозиновыми нитями. Актиновые нити образуются при полимеризации молекул глобулярного белка актина (G- актина). Его полипептидная цепь (первичная структура) включает 374 аминокислотных остатка. Молекулярная масса – 41,8 кДа. Третичная структура представляет собой глобулу с бугристой поверхностью, изрезанной щелями, самая глубокая из которых пролегает в середине молекулы и содержит активные центры связывания АТФ и АДФ, а также Cа2+ и Mg2+. Кроме того, на молекуле G-актина есть сайты связывания тропомиозина, тропонина, головки миозина (об этих белках пойдет речь ниже), а также соседних молекул G-актина.

Благодаря активным центрам связывания G-актина на G-актине глобулы объединяются в фибриллы, образуя F-актин. Контакты между соседними мономерами G- актина обеспечиваются гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. Фибриллы F-актина объединяются попарно (наподобие пары перекрученных ниток бус), и таким образом формируется актиновый микрофиламент длиной до 1 мкм и диаметром (толщиной) около 6 – 8 нм. Шаг спирали F-актина составляет 77 нм и на его протяжении содержится примерно 14 пар молекул G-актина.

Каждая из молекул миозинов, осуществляющих сокращение миоцитов, образована четырьмя полипептидными цепями, две из которых (тяжёлые) имеют молекулярную массу по 200 кДа, а две лёгкие – 20 кДа и 17 кДа. Следовательно, молекулярная масса этого гиганта достигает почти 500 кДа. Каждая из двух тяжёлых цепей образует вторичную структуру типа -спирали. Спирали обеих цепей скручены в двухнитчатую (левозакрученную) суперспираль с шагом в 7,5 нм (рис. 5.1.а). Она является стержнем миозиновой молекулы, который по своей длине (135 нм) при толщине в 2 нм превосходит все аналогичные молекулярные структуры, встречающиеся в природе.

На верхнем конце стержня две нити расходятся, чтобы образовать подвижные “стебельки”, на вершинах которых тяжёлые полипептидные цепи сплетаются с дополнительными (лёгкими) цепями и формируют глобулярные молекулярные структуры, которые как поникшие головки выступают на поверхности. За счёт них общая длина миозиновой молекулы достигает 155 нм. Молекула напоминает двойной цветок на длинной ножке. Соединение между головкой и стержнем молекулы подобно шарниру, что

83

позволяет “цветам” наклоняться в той или иной степени. Важно заметить, что головки миозина обладают АТФазной активностью, то есть активируют гидролиз АТФ.

Рис. 5.1. Структура актинового филамента: а – глобулярный актин (G-актин), представляет собой яйцевидную белковую молекулу, имеющую две пары комплементарных (“ключ – замок”) сайтов прикрепления, одну полярную, другую – латеральную (б); сайты дают возможность молекулам полимеризоваться с образованием скрученных двухнитчатых волокон фибриллярного актина (F-актина) – в, содержащего 14 пар мономерных молекул G-актина в одном полном витке (77 нм)

Миозиновые молекулы самопроизвольно собираются в пучок. При таком объединении стержни нескольких сотен молекул, располагаясь параллельно друг другу с некоторым сдвигом по длине (относительно расположения головок), образуют своеобразный ствол толщиной 11 – 14 нм, из которого в верхней его части выступают головки (рис. 5.2, б). Важно знать, что эта надмолекулярная структура биполярна, поскольку в её середине соединяются (конец в конец) два “ствола” при том, что “кроны” обращены в противоположные стороны. Поэтому в середине толстой нити, в которой объединены сотни молекул миозина, имеется участок длиной около 300 нм, свободный от головок. Общая длина всего такого филамента составляет в разных клетках от 2,5 до 15 мкм.

84

Рис. 5.2. Миозиновые нити: а – двухнитчатая структура миозина II (белковая молекула с двумя головками); б – пучки (стержни) толщиной 15 – 20 нм с многочисленными головками, выступающими над поверхностью и образующими регулярные спиральные ряды, в середине стержня – оголённый сегмент без головок; в – молекулы миозина I (М), которые прикреплены короткими хвостами к мембране транспортируемого органоида (О), а головками к актиновой нити (А)

В миозинах, которые обеспечивают внутриклеточный транспорт органоидов (митохондрий, лизосом и др.), “хвосты” короткие. Ими миозиновые молекулы присоединяются к мембранам органоидов и, скользя затем по актиновым нитям, перемещают их в различные участки клетки. В таком варианте могут работать даже отдельные молекулы миозина или тонкие пучки, образованные их малым количеством.

Характерной особенностью актин-миозиновой системы миоцита (мышечного волокна) является строго параллельное расположение актиновых и миозиновых нитей (рис. 5.3), благодаря чему их скольжение происходит в одном направлении, и в клетке развивается большое напряжение. Это свойственно всем трём типам миоцитов: миоцитам скелетных мышц, кардиомиоцитам, гладкомышечным клеткам. Рассмотрим прежде всего биомеханические процессы в миоците скелетных мышц.

85

Рис. 5.3. Схематическое изображение миофибриллы в миоците поперечнополосатых мышц

Его длина достигает в разных мышцах от 5 до 100 мм, а диаметр значительно уступает длине, составляя от 10 до 100 мкм. Преобладание длины над толщиной в такой веретенообразной клетке позволяет называть её волокном. Вместе с тем следует отметить, что мышечное волокно образуется путем слияния множества отдельных клеток. Поэтому в миоците (весьма крупной клетке) содержится несколько ядер.

Благодаря упорядоченности молекулярной структуры миоцита границы саркомеров в соседних миофибриллах совпадают, следствием чего является характернейшая особенность поперечнополосатых (скелетных) мышц, давшая им такое название, – регулярная исчерченность за счёт чередования светлых (изотропных – I) и тёмных (анизотропных – А) полос, наблюдаемых под микроскопом. Анизотропные диски обладают двойным лучепреломлением: в обычном свете выглядят тёмными, а в

86

поляризованном – прозрачными (светлыми) в продольном и непрозрачными (тёмными) в поперечном направлениях. Изотропным дискам не свойственно двойное лучепреломление. Затемнение в центре I-диска (I-полосы) обусловлено контактами между соседними саркомерами. Эта тёмная полоска толщиной 80 – 160 нм называется Z-линией (или Z- диском). Она служит границей между соседними саркомерами в миофибрилле. Под электронным микроскопом в 1953 г. увидели, что каждый саркомер состоит из тонких (актиновых) и толстых (миозиновых) филаментов. Они называются протофибриллами, число которых в среднем составляет 2500 в одной миофибрилле. Протофибриллы расположенны параллельно друг другу, причём I-диск соответствует тому участку саркомера, где присутствуют только актиновые нити.

В А-диске актиновые нити перекрываются миозиновыми. В центре А-диска наблюдается светлый участок (полоска Н), в котором присутствуют только миозиновые нити. Следовательно, анизотропия обусловлена совместным присутствием и миозиновых, и актиновых филаментов. На поперечном срезе саркомера нити образуют регулярную гексагональную систему, в которой каждая миозиновая протофибрилла взаимодействует с шестью актиновыми, а каждая актиновая – с тремя миозиновыми.

Взаимодействие между тонкими и толстыми филаментами осуществляется посредством так называемых поперечных мостиков, образованных головками миозиновых молекул. Они расположены по отношению к продольной оси миозиновой нити под углом 120 . Расстояние между соседними миозиновыми мостиками, лежащими на одной оси, составляет 43 нм. Поперечный мостик работает как химиомеханический преобразователь.

Стоит ещё раз заметить, что в миоците актиновые и миозиновые филаменты лежат строго параллельно друг другу. Промежутки межу ними составляют примерно 13 нм. В них-то и выступают головки миозиновых молекул – поперечные мостики, которые подобно миниатюрным веслам могут совершать гребковые движения, перемещая тонкие нити относительно толстых. Для того, чтобы это произошло, головка миозина должна вступить во взаимодействие с активным центром на актиновой нити. В расслабленной мышце он прикрыт (“зачехлён”) молекулой тропомиозина. Она имеет двухнитчатую структуру, образованную двумя субъединицами с молекулярными массами 34 и 36 кДа. Молекула длиной 41 нм скручена с шагом 7 нм и занимает спиральный желобок между двумя нитями F-актина, где расположены активные центры, с которыми должны вступить во взаимодействие миозиновые головки, чтобы произошло сокращение мышцы.

87

Рис. 5.4. Схема строения саркомера при продольном (1) и поперечном (2) срезах в зоне перекрывания актиновых (А) и миозиновых (М) нитей

Рис. 5.5. Двухнитчатая (две идентичные полипептидные цепи) суперспираль тропомиозина

Рис. 5.6. Расположение тропомиозина в желобке актинового микрофиламента

Кроме актина, миозина и тропомиозина, миоциты поперечнополосатых мышц содержат важный регуляторный белок тропонин, который связан с актиновым филаментом и с тропомиозиновой нитью.

Три субъединицы тропанина имеют в сумме молекуляр ную массу 76 кДа. Одна из субъединиц способна связываться с 4 ионами Са2+. Когда такое взаимодействие происходит, тропонин воздействует на тропомиозин, и тот освобождает на актиновом филаменте активный центр для миозина. Тем самым устраняется препятствие их взаимодействию.

88

Рис. 5.7. Гипотетическая структура тропонина: а – в отсутствие Са+; б – в присутствии Са+

Рис. 5.8. Сдвоенный актиновый микрофиламент, укомплектованный тропомиозином и тропонином: в отсутствие ионов кальция (А), в присутствии ионов кальция (Б)

89

Механизм мышечного сокращения

Благодаря снятию ионами кальция тропомиозиновой блокады активных центров F- актина с ними взаимодействуют миозиновые головки – они совершают гребковые движения к центру саркомера. Головка временно прикрепляется к актиновой нити и наклоняется на своем стебельке, смещая миозиновую нить вдоль актиновой (как локомотив тянет железнодорожный состав по рельсам) на один шаг (примерно на 10 нм). Вместе с тем актин активирует способность миозина в качестве АТФазы гидролизовать АТФ. При взаимодействии с актином каждая миозиновая молекула ежесекундно гидролизует до 10 молекул АТФ. Следовательно, головки молекул миозина обеспечивают как связывание толстых нитей с тонкими, так и гидролиз АТФ. В конце гребка миозиновой головки по актиновой нити к молекуле миозина присоединяется новая молекула АТФ, что приводит к отделению головки от актина. При последующем гидролизе АТФ происходит восстановление исходной конформации миозиновой молекулы, благодаря чему её головка может снова присоединиться к актиновой нити, но уже ближе к центру саркомера, чем при предыдущем взаимодействии с ней.

В каждом толстом филаменте содержится около 500 миозиновых головок. Каждая из них при быстром сокращении мышцы совершает примерно 5 циклических гребков (смыканий и размыканий поперечных мостиков) в 1 секунду. Естественно, что не все мостики работают одномоментно: одни замыкаются на актиновых нитях, другие в этот миг отделены от них. По расчетам М. В. Волькенштейна, каждый миозиновый мостик должен создавать усилие порядка 5 10-12 Н. Такая сила в пересчёте на единицу площади и с учетом всех миозиновых мостиков, приходящихся на бицепс человека, даёт напряжение, равное 2 105 Па, что близко совпадает с фактическим значением напряжения этой мышцы

(1,8 105 Па).

90