ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ЗАДАЧИ ФИЗИКИ МЫШЦЫ

Все изложенное показывает, что перед физикой мышцы стоит множество нерешенных проблем. Несмотря на громадное число работ, посвященных всем трем аспектам мышечного со­кращения— структурному, биохимическому и физико-механиче­скому,— мы еще далеки от полного понимания и моделирования процессов, происходящих в мышце.

Молекулярная структура толстых и тонких нитей продолжает оставаться предметом интенсивных исследований. Толстые мио - зиновые нити имеют, по-видимому, высоко упорядоченное строе­ние [149]. Еще не ясно, какова его функциональность и как оно связано со строением макромолекул миозина.

Не меньшего-внимания требует актин, который является бо­лее универсальным компонентом тонких нитей в мышцах раз­личного происхождения, чем миозин в толстых нитях. Актин фи­гурирует и в других сократительных системах (см. § 5.11).

Еще не исследована детальная структура мышечных бел­ков— как сократительных, так и регуляторных. Ее изучение яв­ляется необходимым условием построения подлинной молеку­лярной теории мышечного сокращения. Очевидно, что необхо­димо знание как равновесной структуры, так и динамики ее кон- формационных превращений, ответственных в конечном счете за механохимические процессы в мышце. Как уже указывалось, не­возможно пока уверенно локализовать важнейшие конформа - ционные превращения, создающие толкающее или тянущее уси­лия. Мы не знаем, где именно они происходят — в тяжелом или легком меромиозине, в актине или во всех участниках процесса одновременно.

Обычные структурные методы — рентгенография и электрон­ная микроскопия — здесь недостаточны. Нужны скоростные ме­тоды исследования, позволяющие следить за динамикой. Франк и его сотрудники развили оригинальный метод, основанный на оптической дифракции, который позволяет регистрировать изме­нение структуры мышцы при ее одиночном сокращении каждую миллисекунду. С помощью этого метода удалось обнаружить периодичность, «зубчатость» процесса [150]. Пока не ясно, как следует интепретировать эти интересные результаты.

Для изучения молекулярной динамики мышцы было бы очень важно создать метод скоростной рентгенографии. Это оказы­вается возможным с помощью синхротронного излучения. Пер­вые результаты исследования мышцы таким методом, получен­ные Вазиной и сострудниками, являются многообещающими (см. [218]). Удалось провести рентгенографическую «кино­съемку» мышцы с разрешением до 0,003 с.

Со структурными, конформационными событиями в мышце тесно связаны биохимические процессы. Мы имеем здесь дело с электронно-конформационными взаимодействиями в АТФ-азе, активируемой ионами Са++ и Mg"1"1" [93]. Активация происходит, по-видимому, при непосредственном участии регуляторных бел­ков. Полная биохимическая картина процесса пока не получена.

Мы располагаем сведениями о физико-механических свой­ствах мышцы, относящимися, главным образом, к ее стационар­ному сокращению. Твердо установлено уравнение Хилла и дан его теоретический вывод. Однако и в этих условиях нет ясной картины теплопродукции мышцы и здесь необходимы дальней­шие исследования. Еще меньше известно о релаксации мышцы и об ее удлинении под нагрузкой, превосходящей Р0. Релаксация несомненно определяется уходом ионов Са++ из саркоплазмы в ретикулум, сопровождаемым изменением химической энергии

[1(Дмг. Количественная модель и теория этого процесса, как

И процесса вынужденного удлинения, отсутствуют.

Чрезвычайный интерес представляет экспериментальное и теоретическое изучение кинетики нестационарных процессов в мышце — появления колебаний при быстром отпуске и, в осо­бенности, автоколебаний мышц насекомых. Как уже указы­валось, мы встречаемся здесь с нелинейными процессами, имеющими весьма общий характер в биологических системах (см. гл. 8).

И, тем не менее, ряд важнейших положений физики мышцы можно уже считать установленным. Наиболее общее положение состоит в неразрывной связи механохимии с ферментативной ак­тивностью рабочих веществ механохимической системы — сокра­тительных и регуляторных белков. Отсюда следует, что прину­дительное конформационное изменение белка, вызванное меха­ническим воздействием, должно изменять его ферментативную активность. Это положение, высказанное в работе [151] (см. также [152]), было подтверждено прямыми опытами. Воробьев и Кухарева помещали раствор миозина в динамооптиметр. Мо­лекулы миозина подвергались деформации в гидродинамическом поле, и при этом действительно изменялась АТФ-азная актив­ность миозина [153]. В работах [154—156] показано сильное влия­ние ультразвука на активность ферментов, исследовано регули­рование механическим воздействием скоростей ферментативных реакций в полиакриламидном геле, а также регулирование фер­ментативных свойств химотрипсина посредством растяжения капроновой нити, к которой этот белок был ковалентно при­соединен.

Мы не касаемся здесь свойств гладких и сердечной мышц позвоночных, изученных значительно менее подробно, чем попе - речно-полосатые мышцы. Известно, что функции гладких мышц также определяются специфическим взаимодействием актина и миозина, реализуемым в системе, имеющей черты сходства со скользящей моделью. Миозин гладких мышц весьма сходен с миозином поперечно-полосатых, но имеет значительно меньшую АТФ-азную активность. Он образует нити с регулярными вы­ступами. В сечении нити расположены примерно гексагонально (см., например, [157, 158], а также [30, 215, 216]).

Функциональность сердечной мышцы, представляющая пер­востепенный интерес для физиологии и медицины, весьма слож­на. В гл. 8, посвященной нелинейным процессам, рассмотрено явление фибрилляции сердца.

ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

АВТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

В биологии особое значение имеют автокаталитические хи­мические системы. Достаточно указать, что авторепродукция КДеток и организмов эквивалентна автокатализу. Вернемся сначала к феноменологическому термодинамиче­скому рассмотрению. Как мы видели, для химических процессов критерий …

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Неотъемлемой особенностью биологических объектов — кле­ток и организмов — является их историчность, т. е. возникнове­ние и развитие изучаемой системы в конечном интервале вре­мени. Развитие биологической системы всегда необратимо, и в …

ЭЛЕКТРОННО-КОНФОРМАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Самые общие соображения показывают, что перенос элек­трона, сдвиг электронной плотности в конденсированной ср. еде должны сопровождаться изменениями положений атомов, атом­ных ядер среды. Все степени свободы молекулярной системы, т. е. системы, …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.