Биофизика (мышцы).Biophysics (muscles)

Как вы наверное догадались из названия этой статьи, я хочу поговорить о таком составляющем человеческого тела как мышцы.

Далеко ходить не буду, для начала нужно определение, Wikipedia  нам поможет.
Итак, поехали

Мышцы или мускулы (от лат. musculus — мышка, маленькая мышь) — органы тела животных и человека, состоящие из упругой, эластичной мышечной ткани, способной сокращаться под влиянием нервных импульсов. Предназначены для выполнения различных действий: движения тела, сокращения голосовых связок, дыхания.
Как видим мышцы очень важны для человеческого организма.
Пойдем дальше.

По современным    представлениям   все   мышцы разделяются   на три группы: 

• 1. скелетные, 
• 2. гладкие, 
• 3. мышца сердца (миокард).( Миокард представляет собой основную массу сердца. При его сокращении уменьшается объем полостей сердца (предсердий, желудочков), повышается давление,  которое обеспечивает непрерывное течение крови.)

(на этой картинке можем наглядно убедится в различии этих групп)

Скелетные мышцы состоят из большого  количества  параллельно расположенных волокон,  представляющих собой  высокоспециализированные клетки. Как и любые другие клетки, они отграничены мембраной и  содержат органоиды:  ядра,  саркоплазматический ретикулум, митохондрии и др.  Особое значение для выполнения  сократительной функции принадлежит тонким (диаметром 1-2 мкм) нитям - миофибриллам, которые тянутся от одного конца волокна до другого. В первом приближении можно считать, что длина миофибрилл равна длине мышцы. Количество этих органоидов в клетке  достаточно велико   и  может достигать 1000-2000.

C помощью микроскопических наблюдений в миофибриллах выявляются поперечно расположенные зоны А, I, Н, Z . Наличие поперечной исчерченности дало основание называть скелетные мышцы поперечно-полосатыми.. 

В миофибриллах можно выделить последовательно повторяющийся элемент - саркомер,  ограниченный Z - дисками,  исходная длина которого уменьшается в процессе сокращения. По современным представлениям именно саркомер является элементарной моторной единицей, а механизм его сокращения лежит в основе деятельности   всех  скелетных   мышцы. При  уменьшении длины саркомера  (расстояния  между  Z-дисками) изменяются  размеры и  взаиморасположение зон А,  I,  H. Как показывают результаты электронно-микроскопического  наблюдения,  эти сдвиги объясняются взаимодействием более тонких нитей  -  протофибрилл 

   Выявлены протофибриллы двух типов - 

• тонкие, состоящие из белка актина  
• толстые,  содержащие  белок - миозин.   

В основе теоретического объяснения сокращения саркомера лежит модель скользящих нитей.

А теперь самое интересное как же происходит сокращение, довольно интересный процесс я вам скажу.

При раздражении  мышц  нервными импульсами или электрическим током из саркоплазматического ретикулума освобождаются ионы кальция, которые способствуют формированию связей (мостиков) между миозиновыми и актиновыми нитями . Образующийся акто-миозиновый  комплекс  обладает ферментативной активностью и расщепляет универсальный источник энергии - молекулы АТФ.  Освобожденная при этом  энергия передается на кальциевые мостики,  которые   работают  в  циклическом   режиме.  Мостики обеспечивают  движение  актиновых  нитей к центру  полосы в Н-зону в результате чего Z-перегородки приближаются к концам миозиновых нитей.  Этот  молекулярный механизм создает усилие,  способствующее перемещению протофибрилл мышечного волокна друг относительно друга до тех пор,  пока концы миозиновых нитей не достигнут Z-дисков. 

По существующим  оценкам при расщеплении молекулы АТФ один  мостик  за полный цикл  работы  в течение  1 мс развивает усилие 10^-12 H. Поскольку саркомеры   располагаются   в  миофибрилле последовательно,   исходную    длину     мышцы,    можно    выразить Lo = nlo,  где lo - длина саркомера  до сокращения,  n  -  количество саркомеров.

Расчеты  показывают,  что максимальное относительное укорочение для большинства мышц составляет величину порядка 30%.

Определим зависимость изменения длины мышцы от времени. Очевидно, скорость сокращения в начальный момент времени наибольшая, затем уменьшается и, когда укорочение достигает максимума  DL, становится равной нулю. Такая зависимость может быть описана следующим выражением: V =  k(DL - X), где 

Х - укорочение в момент времени 

DL - наибольшее укорочение при t ® ¥ 

 k - коэффициент пропорциональности, зависящий от приложенной к мышце нагрузки.

Если миофибриллы располагаются вдоль оси  мышцы,  количество мостиков между протофибриллами зависит от площади поперечного сечения мышцы  S,  и  поэтому  силу сокращения можно выразить : F = = f * S, где 

S- площадь сечения, 

f - удельная сила сокращения, которую развивают мостики на единице сечения.  Последняя  величина  для   скелетных мышц человека составляет 30 - 40 Н/см² 

После  сокращения ионы кальция удаляются из цитоплазмы в саркоплазматический  ретикулум,  актомиозиновый  комплекс распадается  и  за  счет внутреннего  напряжения   деформированных   упругих  элементов    протофибриллы      возвращаются в исходное состояние.  Величину механической    работы   в   процессе  мышечного  сокращения можно выразить:  А = F * DL 

 Продолжение следует.....