Ақпараттық-дидактикалық бөлім

СРСП МПД № 2 Тақырыбы: Бұлшық ет биомеханикасы. Бұлшық ет жиырылуын моделдеу.

Мақсаты: Хилл теориясының мәнін түсіну және Хилл моделінің ұлпаның механикалық қасиеттерін сипаттауы. “Жылулық қуаттың” сипаттамасын, тиімді және толық қуат, бұлшық ет жиырылуының моделденуін оқып үйрену.

Оқытудың міндеті:

Бұлшық ет жиырылуының биофизикасын оқып үйрену. Бұлшық ет құрылымын түсіну.

Тақырыптың негізгі сұрақтары:

· Хилл моделінің ұлпаның механикалық қасиеттерін сипаттауы

· Жиырылудың бірлік қуаты.

· Бұлшық ет жиырылуының моделденуі.

· Электромеханикалық кедергілері.

Оқыту әдісі –Шағын топпен жұмыс

Ақпараттық-дидактикалық бөлім

Адам мен жануарлар бұлшық еттің көмегімен қозғалысқа түседі. Бұлшық еттің бірнеше түрі бар: көлденең жолақты қаңқа еті; бірыңғай салалы ет және көлденең жолақты жүрек бұлшық еті. Сүйекке жабысып тұратын бұлшық етті орталық нерв жүйесі басқарып отырады. Бұлшық ет көптеген шоқ талшықты еттерден тұрады. Қаңқа еті көлденең жолақты миоциттерден тұрады. Талшық ұзын, цилиндр тәрізді. Оның ұзындығы 10 см-дей, кейде одан да көп, ені 12-70 мкм. Сонымен қатар талшықтардың ішінде молекулалық құрылым – миофибриллдар болады. (1-сурет)

1-сурет

Миоцитті қаптаған қабық ─ сарколемманың көлденең Т-өсінділері болады. Олар миофибрилді саркомераға бөлетін Z мембраналарының тұсында пайда болады. Сарколемманың іш жағында, миофибрилдер тобының сыртында олармен қатар жатқан саркоплазмлық иондарын толы қуыс (цистерна) орналасқан. Миофибрилдерді әрбір 2,5 мкм-ден соң Z мембрана көлденең 2000-дай бөлікке – саркомераға бөледі. Әр саркомераның қақ ортасында жуандығы 10 нм миозин және Z мембрананың екі жағына тіркелген миозиннен екі есе жіңішке – диамаетрі 5 нм актин орналасады. Актиннің екі ұшы екі жақтағы миозин (ақуыз талшықтары) арасына жартылай кіріп тұрады. Миозин жіпшелері миофибрилдердің күңгірт бөлігінде, ал актин ашық бөлігінде болады. Бұл бөліктер миофибрил бойында бірінен соң бірі кезекпен орналасқан. Олар микроскоппен жолақ-жолақ болып көрінеді. (2-сурет)

Миозин шиыршықтары 150 молекулалардан тұрады. Әр жіпшенің ұшында екі домалақ басы болады. Осы домалақ өсінділер арқылы миозин актинге жабысады. Актин шиыршықты жіпшелерден тұрады, олардың ішінде әрбір 40 нм аралығында домалақ басы бар тропонин молекуласы және тропомиозин ақуызы кездеседі.

Актин және миозин жіпшелері бұлшық ет жиырылғанда қысқармайды. Актин талшықтары миозин бойымен сырғып толығынан олардың ара-арасына кіреді.

Қаңқа бұлшық етінің мынадай ерекшеліктерін атауға болады: микроскоппен қарағанда онда ұдайы ашық түсті (изотропты) және күкірт түсті (анизотропты) жолақтардың болуы. Анизотропты дисктер қос сәуле сындыру қасиетіне ие: кәдімгі жарықта олар күкірт, ол поляризацияланған жарықта ұзыннан қараса мөлдір (түсті) ал көлденең бағытта мөлдір емес (күңгірт) болып көрінеді. Изотроптыларға мұндай қасиет тән емес.

Қара жолақ Z-дисктің қалыңдығы 80-160 нм-ге тең. Ол миофибрилдегі көрші саркомерлер арасындағы шекара қызметін атқарады. 1953 жылы микроскоп арқылы әр саркомер жіңішке (актин) және жуан (миозин) филаменттерінен тұратынын байқады. Қаңқа бұлшық етінің бір граммын алып қарастырсақ, оның 0,1 граммын актиндер мен миозиндер құрайды. Хаксли мен Хансон теориясы бұлшық ет қысқаруы кезінде олардың өзара әсерлесу механизмін түсіндіреді.

2-сурет

Бұлшық ет қысқаруында кальций иондарының атқаратын ролі үлкен. 1883 жылы Сидней Рингер дистилденген суда бақа бұлшық еті қысқармайтынын байқаған. Сырттан электрлік қоздырғанда бұлшық ет қысқаруы үшін оны қоршаған ортада кальций иондары болуы шарт деген тұжырымға келген.

Бұлшық ет серпімділік, тұтқырлық, созылғыштық тәрізді механикалық қасиеттерге ие болумен қатар, жиырылғыштық және қозғалғыштық тәрізді биологиялық қасиеттерге де ие. Бұлшық еттің жиырылғыштығы деп оған әсер етіп тұрған күштің өзгеріссіз қалғанына қарамастан бұлшық еттің ұзындығының өзгеруін (қысқаруын) айтамыз. Бұлшық ет изотониялық және изометриалық түрде жиырылуы мүмкін.

Изотониялық жиырылу деп сырттан тұрақты күш әсер етіп тұрғанда бұлшық ет қозуының нәтижесінде оның ұзындығының өзгеруін айтамыз.

Изометриалық жиырылу деп бұлшық еттің ұзындығы өзгермесе де қозудың нәтижесінде бұлшық етке түсетін күштің өзгеруін айтады.

Бұлшық еттің жиырылу жылдамдығы мен оған түскен күшті байланыстыратын теңдеу Хилл теңдеуі былай жазылады:

(1)

мұндағы ─ бұлшық еттің қысқару жылдамдығы; Р─ бұлшық ет күші немесе оған түсірілген салмақ (бұлшық етке сырттан әсер ететін күш); ─ қысқарудың максимум жылдамдығы (егер Р=0 болса, ) ; изометриялық қысқару кезінде бұлшық етке түетін күш (егер болғанда, ); және ─ тұрақтылар.

Қысқару кезінде уақыт ішінде жасалатын жұмыс:

(2)

Бұлшық еттің қысқаруы кезінде белгілі бір мөлшерде жылу бөлінеді және оның шамасы тек бұлшық еттің ұзындығының өзгерісіне ғана тәуелді: (3)

Толық қуат жасалған жұмыс жылдамдығы мен бөлінген жылу арқылы өрнектеледі:

(4)

(3) теңдеуді (4) теңдекке қойып былай жазуға болады:

(5)

Демек, толық қуат пен күш арасында сызықты байланыс бар.

Бұлшық еттің пайдалы әсер коэффициентінің теңдеуі:

(6)

Мұндағы ─ тиімді қуатты береді. және шамалары тұрақты шамалар: а тұрақтысы күштің өлшем бірлігімен өлшенеді; ал тұрақтысы – жылдамдықтың өлшем бірлігіне ие.

Бұлшық еттің изотониялық қысқаруы кезінде қысқару жылдамдығы (u) мен жүктеме (Р) арасындағы байланысты көрсететін теңдеу былай жазылады:

(7)

Р₀ - изотониялық қысқару кезіндегі бұлшық еттің тудыратын максимал күші. Р×u - тиімді қуатты, ал а×u - жылулық қуаты өрнектейді, яғни теңдіктің сол жағы толық қуатты көрсетеді.

Өзіндік есептер:

1. Бұлшық ет 6 мм/с жылдамдықпен қысқарғанда толық қуаты 2,7мВт болды. Изометриялық қысқару кезіндегі осы бұлшық етке түсетін күш (салмақ) 0,8 Н-ға, ал тұрақты болғанда уақыт ішінде жасалатын жұмысты есептеңіздер.

2. Н күш (салмақ) түсіргенде бұлшық ет 24 мм/с жылдамдықпен қысқарады. Изометриялық қысқару кезіндегі күштің шамасы 1,1 Н, тұрақты 0,2 Н болғанда, қысқарудың максимал жылдамдығы неге тең болады?

3. Бұлшық ет қысқарғанда t=0,3с ішінде 5,5 кДж жылу бөлінді. Егер ПӘК =45% болса, бұлшық еттің тиімді қуатын есептеңіз.

4. Изометриялық қысқару кезінде бұлшық етке түсетін күштің шамасы , ал толық қуаттың максимал мәні -қа тең. Күш болған кездегі толық қуаттың шамасын табыңыз.

5. Бұлшық ет изотониялық жағдайда массасы m=100 г жүкті h=20см биіктікке көтереді. Егер оның ПӘК =40% болса, қанша жылу Q бөлінгенін табыңыз.

Әдебиеттер:

Негізгі:

1. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 б.

2. Тиманюк В.А., Животова Е.Н. «Биофизика», Киев.2004 г. 79-86 б.

3. Антонов В.Ф., Черныш А.М., В.И. Пасечник и др. Биофизика. М., Владос, 2006.

4. Физиология человека. В 3 томах. Пер. с англ. /Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. – М.: Мир, 2004.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.- М., Высшая школа, 2004.- 608 с.

6. Рубин А.Е. Биофизика. Т1, Т2 М.: Университет «Книжный дом» 2000, 2004.

Бақылау(сұрақтар, тестер)

Сұрақтар:

1. Хилл теңдеуінің мәні.

2. Бұлшық еттің құрылымы.

3. Изотониялық және изометриялық жиырылу дегеніміз не?

4. Тиімді және толық қуаттың теңдеулері.

5. Толық жұмыс және пайдалы әсер коэффициенттерінің теңдеулері. Олардағы белгілеулердің физикалық мағыналары.