Теория скользящей нити

Презентация на тему: » Модель скользящих нитей. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла. Моделирование мышечного сокращения. Электромеханическое сопротивление. Тема: Модель скользящих.» — Транскрипт:

1

Модель скользящих нитей. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла. Моделирование мышечного сокращения. Электромеханическое сопротивление. Тема: Модель скользящих нитей. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла. Моделирование мышечного сокращения. Электромеханическое сопротивление. Выполнили: Тлебергенова Ж., Уразбаев А. Группа: 121 А Проверила: Турганбаева А.У.

2

План: Биофизика мышечного сокращения Структура поперечно – полосатой мышцы Модель скользящих нитей. Биомеханика мышцы. Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения Моделирование мышечного сокращения. Электромеханическое сопряжение в мышцах

3

Мышечное сокращение Мышечное сокращение – укорочение мышцы, в результате которого она производит механическую работу. Мышечная активность Мышечная активность в процессе жизнедеятельности обеспечивает работу отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способность сердца. Нарушение работы мышц может приводить к патологиям, а ее прекращение — даже к летальному исходу.

4

мышцы кишечника, стенки сосудов : скелетные, мышцы сердца

5

А — строение поперечно полосатого мышечного волокна (миосимпластта) Б — поперечно полосатые мышечные волокна (миосимпласт та) 1. — мышечное волокно. 2.- миофибрилла миофиламенты ядра мышечных волокон.

6

Строение двух миофибрилл мускульного волокна 1 — саркомер; 2 — полоска А (диск А); 3 — полоска Н; 4 — М-линия (мезофрагма) внутри полоски Н; 5 — диск И (полоска И); 6 — телофрагма (Z-линия) внутри диска И; 7 — митохондрия; 8 — терминальная (конечная) цистерна; 9 — саркоплазматическая сетка; 10- поперечные трубочки.

8

В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропомиозина блокируют прикрепление поперечных мостиков как типовым цепям. Ионы Са активируют мостик и открывают участки их прикрепления к актину В результате мостики миозина прикрепляются к актиновые нитям, расщепляются молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки поворачиваются внутрь саркомера.

9

Это приводит к генерации силы, скольжение актина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызывает укорочение мышцы. После окончания активации мостик размыкается, и саркомер возвращается в исходное состояние. Рассмотренная структура и последовательность процессов называется моделью скользящих нитей «Теория скользящих нитей» — концепция, объясняющая механизм сокращения миофибриллы. Разработана в 1954 г. независимо друг от друга Хью Эзмором Хаксли и Сэром Андру Филдингом

10

Эндрю Филдинг Хаксли

11

Фундаментальные понятия механики мышц Упругость – свойство менять размеры и форму. Обусловлена силами взаимодействия его атомов и молекул Вязкость – внутреннее трение среды Деформация — относительное изменение длин Деформация — относительное изменение длин Напряжение — мера внутренних сил, возникающих при деформации материала

12

Уравнение Хилла – определяет зависимость скорости укорочения от нагрузки V – скорость укорочения P — нагрузка Po – максимальное изометрическое напряжение, развиваемое мышцей b – константа, имеющая размерность скорости a – константа, имеющая размерность силы

13

Зависимость скорости одиночного сокращения мышцы от нагрузки

15

Электромеханическое сопряжение Электромеханическое сопряжение – это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия на сарколемме и заканчивающийся сократительным ответом мышцы

16

1 — поступления Nа и 2 — поступления Са 2+ в клетку при возбуждении мембраны (деполяризация) 3 — кальциевый залп (замыкание мостиков) 4 — активный транспорт Са 2+ в СР 5 — выход из клетки К+, вызывающий реполяризации ю мембраны, 6 — активный транспорт Са 2+ из клетки Схема электромеханического сопряжения в кардиомиоците (М — клеточная мембрана-сарколемма, СР — саркоплазматический ретикулум, МФ — миофибрилла, Z — z-диски, Т — Т-система поперечных трубочек)

История

Ранние работы

Первым мышечным белком был обнаружен миозин немецким ученым Вилли Кюне , который выделил и назвал его в 1864 году. В 1939 году российская команда мужа и жены Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова обнаружили, что миозин обладает ферментативным (так называемым АТФазным ) свойством, которое может распад АТФ с высвобождением энергии

Альберт Сент-Дьёрдьи , венгерский физиолог, обратил свое внимание на физиологию мышц после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1937 году за свои работы по витамину С и фумаровой кислоте. В 1942 году он продемонстрировал, что АТФ является источником энергии для сокращения мышц

Он действительно заметил, что мышечные волокна, содержащие миозин B, укорачиваются в присутствии АТФ, но не миозина A, опыт, который он позже описал как «возможно, самый волнующий момент в моей жизни». С Брюно Ференца Штраубу , он вскоре обнаружил , что миозин B был связан с другим белком, который они назвали актин, а миозин А , не было. Штрауб очистил актин в 1942 году, а Сент-Дьёрдьи очистил миозин A в 1943 году. Стало очевидно, что миозин B был комбинацией миозина A и актина, так что миозин A сохранил первоначальное название, тогда как они переименовали миозин B в актомиозин. К концу 1940-х годов команда Сент-Дьёрдьи с доказательствами постулировала, что сокращение актомиозина эквивалентно сокращению мышц в целом. Но это мнение было в целом противником, даже со стороны таких нобелевских лауреатов, как Отто Фриц Мейерхоф и Арчибальд Хилл , которые придерживались господствующей догмы о том, что миозин является структурным белком, а не функциональным ферментом. Однако в одном из своих последних вкладов в исследования мышц Сент-Дьёрдьи продемонстрировал, что актомиозин, управляемый АТФ, является основным принципом сокращения мышц.

Источник

Структура мышечного волокна (саркомера) под электронным микроскопом со схематическим объяснением

К тому времени, когда Хью Хаксли получил докторскую степень в Кембриджском университете в 1952 году за исследования структуры мышц, Сент-Дьерди превратил свою карьеру в исследования рака. Хаксли отправился в лабораторию Фрэнсиса О. Шмитта в Массачусетском технологическом институте с постдокторской стипендией в сентябре 1952 года, где к нему присоединился другой английский научный сотрудник Джин Хансон в январе 1953 года. Хэнсон имел докторскую степень по строению мышц. из Королевского колледжа в Лондоне в 1951 году. Хаксли использовал дифракцию рентгеновских лучей, чтобы предположить, что мышечные белки, особенно миозин, образуют структурированные волокна, дающие начало саркомеру (сегменту мышечного волокна). Их главная цель состояла в том, чтобы использовать электронную микроскопию для изучения деталей этих нитей, как никогда раньше. Вскоре они обнаружили и подтвердили филаментную природу мышечных белков. Миозин и актин образуют перекрывающиеся филаменты, миозиновые филаменты в основном составляют полосу А (темная область саркомера), тогда как филаменты актина пересекают полосы А и I (светлая область). Хаксли был первым, кто предложил теорию скользящей нити в 1953 году, заявив:

Позже, в 1996 году, Хаксли пожалел, что ему следовало включить Хэнсона в формулировку своей теории, потому что она была основана на их совместной работе.

Эндрю Хаксли , которого Алан Ходжкин описал как «волшебник с научным аппаратом», только что открыл механизм передачи нервного импульса ( потенциала действия ) (за что он и Ходжкин позже получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году) в 1949 году, используя он разработал зажим для напряжения и искал помощника, который мог бы правильно рассечь мышечные волокна. По рекомендации близкого друга Роберта Штемпфли к нему в 1952 году присоединился немецкий врач Рольф Нидергерке в Кембриджском университете. К тому времени он понял, что обычно используемый фазово-контрастный микроскоп не подходит для тонких структур мышечных волокон, и поэтому разработал свой собственный интерференционный микроскоп . С марта 1953 г. по январь 1954 г. они выполнили свои исследования. Хаксли вспоминал, что в то время единственным человеком, который когда-либо думал о скользящих нитях до 1953 года, была Дороти Ходжкин (позже лауреат Нобелевской премии по химии 1964 года ). Лето 1953 года он провел в морской биологической лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс, чтобы использовать там электронный микроскоп. Там он встретил Хью Хаксли и Хэнсона, с которыми поделился данными и информацией об их работах. Они расстались, договорившись, что будут поддерживать связь, а когда их цель будет достигнута, они опубликуют вместе, если когда-нибудь «придут к аналогичным выводам».

Прием и последствия [ править ]

Несмотря на убедительные доказательства, теория скользящей нити не получила поддержки в течение нескольких лет. Сам Сент-Дьёрдьи отказывался верить, что миозиновые филаменты ограничены толстым филаментом (полоса А). Ф.О. Шмитт, чей электронный микроскоп предоставил лучшие данные, также скептически относился к исходным изображениям. Были также немедленные аргументы относительно организации филаментов, были ли два набора филаментов (миозин и актин) просто перекрывающимися или непрерывными. Только с помощью нового электронного микроскопа Хью Хаксли подтвердил перекрывающуюся природу волокон в 1957 году .Именно из этой публикации было ясно показано существование актин-миозиновой связи (теперь называемой поперечным мостиком). Но ему потребовалось еще пять лет, чтобы предоставить доказательства того, что поперечный мост представляет собой динамическое взаимодействие между актином и миозиновыми филаментами. Он получил реальное молекулярное расположение нитей с помощью рентгеновской кристаллографии, объединившись с Кеннетом Холмсом , который обучался у Розалинд Франклин в 1965 году. Это произошло только после конференции в 1972 году в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. , где обсуждалась теория и ее доказательства, что она стала общепринятой. На конференции, как позже вспоминал Кочак Маруяма, Хансону пришлось ответить на критику, крикнув: «Я знаю, что пока не могу объяснить механизм, но скольжение — это факт». Фактические доказательства пришли в начале 1980-х, когда различные исследователи могли продемонстрировать реальное скользящее движение с использованием новых сложных инструментов.

Механизм поперечного моста править

Имея существенные доказательства, Хью Хаксли официально предложил механизм скользящей нити, который по-разному называют моделью качающегося поперечного моста, теорией поперечного моста или моделью поперечного моста. (Сам он предпочел название «модель качающегося поперечного моста», потому что, как он вспоминал, «это было, в конце концов, 1960-х». ) Он опубликовал свою теорию в 20-х годах. Июньский номер журнала Science за 1969 г. под названием «Механизм мышечного сокращения». Согласно его теории, скольжение филаментов происходит за счет циклического прикрепления и отсоединения миозина от актиновых филаментов. Сокращение происходит, когда миозин тянет актиновую нить к центру полосы А, отделяется от актина и создает силу (удар) для связывания со следующей молекулой актина. Эта идея была впоследствии подробно доказана и более уместно известна как цикл перекрестных мостов .