Иерархия структур и состояний биообъектов
Установлено существование тонких нитей, которые являются белком актином. Также имеются толстые нити, по виду напоминающие двухсторонние щетки — ерши, которые используют при мытье посуды (рис. 3.1, г). Впоследствии выяснилось, что такие нити состоят из белка — миозина (мышечного белка). Щетинки, выступающие из миозина, могут цепляться за актин, что создает так называемые саркомерные мостики… Читать ещё >
Иерархия структур и состояний биообъектов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Системный анализ биообъектов следует начинать с низших иерархических уровней, например с уровня белковых молекул, входящих в миоциты — клеточную популяцию, из которой состоит мышечная ткань. В данной главе рассмотрена структура и основные закономерности функционирования мышцы как системы, включающей в себя молекулярный, клеточный и популяционный уровни.
От саркомера к мышце
В основе движения высших живых организмов лежит саркомер — мономерная единица мышечного двигателя (от лат. сарк — мясо).
Системный анализ позволяет последовательно рассмотреть устройство и функции мышц. Наиболее известный метод анализа биообъектов — анатомия (от греч. анатоми — рассечение), наука о строении организма.
Согласно анатомии, тело человека содержит приблизительно 500 скелетных мышц. Кроме них различают кардиомышцы, которые устроены так же, как скелетные, и гладкие мышцы.
В терминологии системного анализа разделение скелетной мышцы (рис. 3.1, а) на элементы (подсистемы) — это операция декомпозиции. Подсистемы более низкого уровня — фрагменты мышцы, которые представляют собой связку мышечных клеток — миоцитов (от лат. мио — мышца) (рис. 3.1, б).
Вследствие особенностей строения миоцит также называют мышечным волокном. Это волокно представляет собой синтиций — сросшуюся цепочку из сотен клеток, ядра которых видны под микроскопом.
Рис. 3.1. Скелетные мышцы:
а — двухглавая мышца плеча; б — миоцит и миофибрилла; в — саркомер; г — пространственная структура миозин-активного комплекса; ДА — АМФ-Дезаминаза; ФФК — фосфофруктокиназа; ММ-КК — креатинкиназа; 1 — плазматическая мембрана; 2 — ядро; 3 — мышечное волокно; 4 — миофибрилла; диаметр саркомера — около 1 мкм, длина — 1,5…3,5 мкм В свою очередь, миоциты состоят из миофибрилл. Каждая миофибрилла представляет собой цепь субклеточных структур — саркомеров (рис. 3.1, в). Саркомер — образование, наблюдаемое под оптическим микроскопом между Z-линиями (см. рис. 3.1, б). Саркомеры формируют длинную цепь, соединяясь через Z-диски.
Данные оптической микроскопии ограничиваются уровнем миофибрилл. Более тонкая пространственная структура — изображение саркомера — может быть получена только с помощью электронного микроскопа.
Установлено существование тонких нитей, которые являются белком актином. Также имеются толстые нити, по виду напоминающие двухсторонние щетки — ерши, которые используют при мытье посуды (рис. 3.1, г). Впоследствии выяснилось, что такие нити состоят из белка — миозина (мышечного белка). Щетинки, выступающие из миозина, могут цепляться за актин, что создает так называемые саркомерные мостики (саркомостики).
Миозин включает в себя сборку большого числа отдельных белковых молекул, а точнее, двойных скрученных белковых молекул. Одна сборка образует характерную структуру, напоминающую цветок с двумя лепестками (ножки — щетинки). При сложении этих структур образуются своеобразные букеты, направленные в разные стороны (см. рис. 3.1, г).
Рассмотренные выше основные фрагменты мышц формируют иерархическую структуру (см. § 1.4). Мышцы — корень иерархического дерева, белки (актин и миозин) — элементы молекулярного уровня (табл. 3.1).
Таблица 3.1. Иерархическая структура скелетной мышцы.
Детали молекулярного уровня мышечной системы определяют с помощью методов биохимического анализа. Актин и миозин получают путем гидролиза мышечной ткани. Если мышечный препарат — выделенную смесь актина и миозина — растворить в воде, добавить в полученный раствор аденозинтрифосфат (АТР) и соль кальция, то образовавшаяся в растворе гелеобразная масса уплотняется. При этом протекает биохимическая реакция, моделирующая сокращение мышцы. Эта функция реализуется при движении различных частей организма. Так, методами биохимического анализа устанавливают механизмы работы поперечно-полосатой мышцы.
Основные физиологические состояния мышцы — напряжение под нагрузкой, расслабление и окоченение.
Если в мышечный препарат ввести АТР, то в растворе можно наблюдать расширение образовавшейся массы. Добавление кальция приводит к состоянию напряжения, при этом мышцы становятся работоспособными.
Окоченение — одно из наиболее известных состояний мышцы, которое соответствует полному сжатию саркомеров. Это наиболее плотное состояние мышцы, достигаемое при наименьшем объеме. Установлено, что для окоченения характерен недостаток кальция и АТР.
Из комбинации перечисленных состояний формируется механизм работы поперечно-полосатой мышцы.
Миозин можно представить в виде многоножки с головой посередине и ножками по концам. Эти ножки-щетинки являются саркомерными мостиками (см. рис. 3.1). На нити актина имеются впадины. Щетинки, цепляясь за актин, продвигаются по нему. В результате миозин начинает двигаться и подтягивать за собой остальную часть. Когда такая «многоножка» доползет до конца саркомера, произойдет полное сокращение мышцы.
Актин представляет собой цепочку из G-актина (глобулина), который состоит из шариков, соединенных в длинные цепочки, длина которых составляет примерно 0,75 мкм. Можно подсчитать количество шариков (глобул G-актина), формирующих одну тонкую нить актина, учитывая, что максимальная длина саркомера в растянутом состоянии равна приблизительно 3,5 мкм (по данным электронной микрофотографии). Минимальная длина цепочки составляет 1,5 мкм.
Таким образом, общее сокращение мышцы — это результат сокращения многочисленных саркомеров, образующих эту мышцу. Работа мышцы определяется наличием АТР или кальция, а их отсутствие вызывает прекращение работы мышцы.