Изучение регуляции работы мышц

Цель работы: Исследователь должен изучить особенности работы системы регуляции непроизвольных движений у человека в норме и при выполнении функциональной нагрузки.

Обучающийся должен знать:

1. Строение и функции мышц, структурную организацию сар комера и изменения в нём при укорочении.

2. Уравнение Хилла.

3. Особенности механорецепции.

Обучающийся должен уметь:

1. измерить экспериментально динамику тремора у испытуемого без нагрузки и с нагрузкой.

2. Произвести Фурье- анализ треморограммы.

3. Сделать выводы о характере изменения треморограммы.

Практическое значение. Динамические показатели непроизвольного движения (тремора) являются важной характеристикой функционального состояния организма человека и могут являться объективными показателями развития патологических процессов (нарушения функций щитовидной железы, например) или психофизиологических отклонений (в связи с приёмом наркотиков, алкоголя и т.д.). Поэтому они используются как в медицине, так и в физиологии трудовых процессов.

Бюджет времени

На изучение темы отводится 6 часов, из них 2 часа лекций, 2 часа лабораторные занятия и 2 часа на самоподготовку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. - М.: Медицина, 1983.- 272с.

2. Рубин А.В. Биофизика: В 2 кн.- М.: Высш. шк., 1987.

3. Дещеревский В.И. Математические модели мышечного сокращения.- М., 1977.

4. Хилл А. Механика мышечного сокращения.- М., 1985.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО I ЭТАПУ

“САМОПОДГОТОВКА”

Цель этапа: 1. Повторить исходную информацию, необходимую для понимания изучаемой темы. Проверить качество усвоения новой информации (понятия и законы) перед выполнением работы.

I. Исходный уровень знаний.

Для изучения темы необходимо повторить:

1. Структурную организацию саркомера и механизм его сокращения.

2. Трехкомпартментную организацию систему регуляции по отклонению.

II. Изучив блок информации и учебную литературу, обучающийся для самоконтроля должен ответить на следующие вопросы:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО II ЭТАПУ:

“Выполнение лабораторной работы”

Цель этапа: Ознакомиться с методикой снятия и обработки треморограмм.

Для достижения цели необходимо:

I. Выбрать в директории ADC ЭВМ файл surg.exe. Закрепить на пальце металлическую пластинку, начать съёмку кривой, нажав enter.

II. После сообщения о завершении, нажать 3 раза esc. Найти в меню новый файл содержащий данные вида 11 11 1111 99, где 11- день месяца, 11 -номер месяца, 1111 -время (часы, минуты) снятия треморограммы, 99 - год.

III. Выбрать файл charts.exe. Нажать клавишу c, выбрать файл, просмотреть фурье-образ треморограммы; сравнив с другими треморограммами, сделать выводы об изменениях в них.

Блок информации

Движение в живой природе обеспечивает приспособленность к изменениям в окружающей среде, поддержание трофики и, в целом выживание как растительного. Так и животного организма. Существуют различные формы движения от фототропизма до сложно организованных мышечных движений. В животном организме движение осуществляется за счет механохимических процессов, которые обеспечиваются работой надмолекулярных структур ферментов, сопровождаемых катализом и гидролизом АТФ. В этом случае рабочее тело- белок с механическими свойствами, изменяющимися за счет ферментативных процессов (сорбции лиганда). Такие процессы (перенос Н⁺ по градиенту электрохимического потенциала) лежат в основе работы бактериальных жгутиков ил работы сократительной органелы- спазмонемы (за счет переноса Са²⁺ и его связывания она укорачивается).

Следует отметить, что перечисленные выше живые системы работают в циклическом режиме, когда рабочее тело получает энергию от источника (претерпевает изменения), передает её нагрузке во время рабочего хода и далее такой преобразователь возвращается в исходное состояние. Это классический пример теплового двигателя в физике. когда необходим подвод энергии извне и тепловой обмен с окружающей средой (вспомним тремор мышц на холоде у любого теплокровного!). Схема процесса имеет вид:

Если Т и Р постоянные, то изменения термодинамического потенциала Гиббса G рабочего тела при механохимическом процессе имеет вид:

dG= FdS + Sm_idn_i, G= U +PV -TS

где F- сила, dS- изменение длины, dn_i- число молей i-й компоненты (лиганда), которое получается при хим. потенциале m_i.

В конце цикла и значение совершенной механической работы

т.е. механическая работа равна изменению свободной энергии при переносе вещества по градиенту концентрации. Можно ввести к.п.д. такого процесса в виде

Такие системы, можно показать, работают, когда есть градиенты концентраций (области больших и меньших концентраций лиганда), причем форма Р-L должна меняться при связывании лигандов, т.е.

P- молекула полимера, L- лиганд, X- их комплекс. Например, спазмонема у сувоек при связывании Са²⁺ вызывает укорочение белковых структур и при этом в цикле меняется концентрация Са²⁺ в цитоплазме, которая задается ретикулумом. Каждый из указанных процессов идет со своими константами химической реакции (их всего 4-е!).

Скелетная мышца позвоночных состоит из отдельных многоядерных клеток- мышечных волокон (l~ 1 мм- 50 см, d~ 0, 05 мм- 0, 1 мм). Волокна имеют 2 пластинки (поперечные), которые разделяют саркомеры длиной в покое ~ 2, 2 мкм. Нервный импульс вызывает выброс Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума и происходит образование связи миозинового мостика с белком актином. Нити скользят до тех пор, пока сила мостика не упадет до 0, после чего мостик размыкается (рис.1).

Во время работы хода мостик преобразует свободную энергию гидролиза АТФ в механическую А. При обратном ходе на обращение состояния мостика также затрагивается часть энергии АТФ. Осуществляется полный цикл превращений мостика.

Рис. 1. Зависимость изометрической силы мышечного волокна

от степени перекрывания нитей:

I- изометрическая сила, развиваемая поперечно- полосатой мышцей при различных длинах саркомеров, измеренная на одиночных волокнах;

II- изменение зоны перекрытия толстых и тонких нитей при различных длинах саркомера; 1- 6- обозначение одинаковых длин саркомера на I и II

Отметим, что сам миозин плохой фермент (скорость гидролиза АТФ ~0, 05 сек ). Однако актин резко (на три порядка!) ускоряет гидролиз АТФ. Причем скорость энергопродукции мышцы при сокращении с ускорением больше, чем в изометрическом режиме, т.е.

,

где Р- сила, развивается волокном, K -скорость распада тормозящих мостиков, m- число тормозящих мостиков.

На свободном миозине происходит гидролиз АТФ и долгоживущий миозинпродуктный комплекс соединяется с актином. Большая свободная энергия переходов, связанных с десорбцией продуктов гидролиза АТФ от актомиозина (более 50% свободной энергии реакции гидролиза АТФ), может быть использована для совершения работы в мышце. Основное освобождение свободной энергии гидролиза АТФ происходит при десорбции фосфата.

При сопоставлении указанных свойств реакции в растворах с характеристиками механохимического цикла мостика необходимо учитывать, что термодинамические и кинетические параметры реакции в мышце должны изменяться в связи со структурными ограничениями, приводящими к деформациям белкового комплекса.

В настоящей работе обучаемому предлагается исследовать особенности организации произвольных движений (тремора) испытуемого в условиях дозированной мышечной нагрузки и без таковой. Испытуемый должен удержать фиксированное расстояние между своим пальцем (с металлической пластиной) и датчиком сигнала, сначала в отсутствии таковой, потом с таковой (металлическая пластина на руке). Испытуемый должен сделать спектральный анализ треморограммы в 3-х случаях и сделать вывод о характере изменения максимальных частот до и после нагрузки. Треморограмму приложить к отчету.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО III ЭТАПУ:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучающийся должен изучить все методические указания, ответить на вопросы из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения II этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради. Обратите особое внимание на комплекс параметров, вызывающий изменение характеристик тремора.

Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Лабораторная работа № 2.6.

БИОФИЗИКА РЕЦЕПЦИЙ. Закон вебера- фехнера.

Цель работы: Ознакомиться с основами процессов рецепции и законами их описывающими.

Обучающийся должен знать:

1. Свойства анализаторов и закон Вебера- Фехнера.

2. Строение и функции зрительного и слухового анализаторов.

3. Биофизические основы фоторецепции.

Обучающийся должен уметь:

1. Проверить закон Вебера- Фехнера для рецепторов давления.

2. Выполнить статистическую обработку результатов измерений.

Практическое значение.

Работа фоторецепторов и рецепторов слуха дает нам основную информацию об окружающем мире. Особое значение фоторецепции для понимания единства процессов в растительном и животном мире. Биофизика анализаторов лежит в основе физиологии трудовых процессов и является фундаментом для понимания патологических процессов в психиатрии, мед. психологии, валеологии.

Бюджет времени

На изучение темы отводится 6 часов, из них 2 часа лекций, 2 часа лабораторные занятия и 2 часа на самоподготовку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Макаров П.О. Практикум по физиологии и биофизике органов чувств- анализаторов.- М.: Высшая школа, 1973.- 304с.

2. Кейдель В.Д. Физиология органов чувств.- М.: Медицина, 1975.- 216с.

3. Владимиров В.А. и др. Биофизика.- М.: Медицина, 1983.- С. 244- 252.

4. Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х т.- М.: Высшая школа, 1987.- Т.2, с. 187- 292.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО I ЭТАПУ

“САМОПОДГОТОВКА”

Цель этапа: Теоретически изучить строение и функции основных анализаторов. Изучить свойства и механизмы функционирования зрительных рецепторов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО II ЭТАПУ:

“Выполнение лабораторной работы”

Цель этапа: Проверить закон Вебера- Фехнера для тактильного анализатора.

Для достижения цели необходимо:

1. Положить на тыльную сторону ладони пластинку №1 (массой m₁) и, последовательно меняя и увеличивая величину тестирующего груза Dm (брать пинцетом!), зафиксировать пороговое значение Dm₁ для груза m₁ (когда возникнут четкие ощущения).

2. Взять вторую пластинку m₂ (m₁=m₂), положить на первую m₁ и повторить опыт с измерением Dm₂. Убедиться, что Dm₂@2Dm₁.

3. Повторить опыт и измерения с пластиной m₃=m₁ и проверить- будет ли Dm₃@3Dm₁ или нет?

Рассчитать с какой абсолютной и относительной погрешностью выполняется закон Вебера- Фехнера для тактильного анализатора,

Dm₁/m₁@Dm₂/(Dm₁+m₂)@Dm₃/(m₁+m₂+m₃).

Аналогичные измерения можно произвести и для слухового анализатора, причем DI необходимо задавать с помощью ручки регулятора громкости.

Почему хорошую музыку не рекомендуют слушать громко? Подтвердите это законом Вебера для слухового анализатора.