Электромеханическое сопряжение в мышцах

Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы.

Нарушение последовательности процессов сопряжения может приводить к патологиям и даже к летальному исходу.

Процесс сокращения кардиомиоцита происходит в следующем порядке:

1) при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются быстрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na⁺ входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны;

2) в результате деполяризация мембраны открываются потенциал-зависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са²⁺ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация ≈ 2 ∙10 ³ моль / л, внутрь клетки (внутриклеточная концентрация Са²⁺ ≈10-7 моль / л);

3) кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану СР, являющегося внутриклеточным депо ионов Са²⁺ (в СР их концентрация достигает более 10^-3 моль/л), и высвобождают кальций из пузырьков СР. В результате возникает так называемый «кальциевый залп». Ионы Са²⁺ из СР поступают на актин-миозиновый комплекс саркомера, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера;

4) по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы Са²⁺ с помощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно закачиваются внутрь саркоплазматического ретикулума;

5) процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что ионы Na⁺ и Са²⁺— активно выводятся во внеклеточную среду с помощью соответствующих ионных насосов.

Пассивные потоки 1,2 и 3 обеспечивают процесс сокращения мышцы, а активные потоки 4 и 5 — ее расслабление.

Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Заметим, что описанный выше двухступенчатый процесс сопряжения доказан экспериментально.

Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки I прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменения амплитуды потока приводит к хорошо коррелирующему изменению силы сокращения. Поток ионов Са²⁺ внутрь клетки выполняет, таким образом, две функции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомиоцита и участвует в процессе электромеханического сопряжения.

 

3. Цель деятельности студентов на занятии:

Студент должен знать:

1.Структуру мышцы.

2.Основные положения модели скользящих нитей.

3.Трехкомпонентную модель Хилла.

4.Изометрический и изотонический режимы исследования характеристик сокращающихся мышц.

5.Механизм электромеханического сопряжения в мышцах.

 

Студент должен уметь:

1. Объяснять модель скользящих нитей.

2. Объяснять трехкомпонентную модель Хилла.

3. Анализировать уравнение Хилла.

4. Объяснять процесс сокращения кардиомицита.

5. Решать ситуационные задачи по данной теме.

 

4. Содержание обучения:

1. Структура мышцы. Саркомер.

2. Модель скользящих нитей.

3. Пассивное растяжение мышцы. Трехкомпонентная модель Хилла.

4. Активное сокращение мышцы.

5. Уравнение Хилла.

6. Мощность одиночного сокращения.

7. Электромеханическое сопряжение.

8. Решение ситуационных задач.

 

5. Перечень вопросов для проверки исходного уровня знаний:

1. Что является элементарной сократительной единицей мышечной ткани?

2. Опишите микроструктуру саркомера.

3. Что является механохимическим преобразователем энергии АТФ?

4. Как осуществляется процесс укорочения и генерации силы в саркомере? Каковы основные положения модели скользящих нитей?

5. Почему для исследования процесса сокращения мышцы приходиться разделять режимы ее работы на изотонический и изометрический? Какой режим реализуется в реальных условиях сокращения?

6.Что понимают под электромеханическим сопряжением? Какие фазы электромеханического сопряжения в кардиомиоците и в скелетной мышце осуществляются пассивными потоками ионов, а какие активными?

 

 

6. Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:

1. Охарактеризуйте трехкомпонентную модель Хилла.

2. Объясните механизм активного сокращения мышцы.

3. Почему при различных начальных длинах мышцы изометрическое сокращение имеет различную форму зависимости F(t)?

4. Можно ли по кривой зависимости V(Р) Хилла (рис. 7) определить, какой максимальный груз может удерживать мышца?

5. Опишите процесс сокращения кардиомицита.

 

7.Решите задачи:

1.Сухожилие длиной 16 см под действием силы 12,4 Н удлиняется на 3,3 мм. Сухожилие можно считать круглым в сечении с диаметром 8,6 мм. Рассчитайте модуль упругости этого сухожилия.

2.Площадь сечения бедренной кости человека равна 3 см². Какую силу сжатия может выдержать кость, не разрушаясь?

3.Для определения механических свойств костной ткани была взятапластинка из свода черепа со следующими размерами: длина L = 5 см, ширина b = 1 см, толщина h = 0,5 см. Под действием силы F = 200 Н пластинка удлинилась на ∆L = 1,2∙10^-3 см. Определите по этим данным модуль Юнга костной ткани при деформации растяжения.

4.Из большеберцовой кости собаки вырезали стержень прямоугольного сечения с ребрами а = 2 мм, b = 5 мм. Стержень положили на упоры, находящиеся на расстоянии L = 5 см друг от друга, и посередине между ними к нему приложили силу 28 Н. При этом стрела прогиба оказалась равной 1,5 мм. Определите модуль Юнга для этой кости.

 

8. Самостоятельная работа студентов:

По учебнику Антонова В.Ф. и др. (§§ 20.4.) изучите временное соотношение между потенциалом действия кардиомицита и одиночным сокращением.

9. Хронокарта учебного занятия:

1. Организационный момент – 5 мин.

2. Разбор темы – 30 мин.

3. Решение ситуационных задач – 60 мин.

4. Текущий контроль знаний – 30 мин

5. Подведение итогов занятия – 10 мин.

 

10. Перечень учебной литературы к занятию:

1.Ремизов А.Н. Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М., «Дрофа», 2008, §§ 8.3, 8.4.

3.Физика и биофизика.(под ред. Антонова В.Ф.). М., «ГЭОТАР-Медиа», 2008, §§ 20.1-20.4.