Мышца преобразование энергии

Наконец, следует упомянуть о том, что в мышечных тканях живых организмов происходит прямое преобразование энергии химических реакций в механическую с высоким коэффициентом полезного действия. В технике еще не существует приборов и машин, которые моделировали бы работу мышц, и даже неизвестные принципы такого моделирования, но и это — реальная, хотя и далекая, перспектива создания на основе подходящих реакций гораздо более совершенных двигателей и машин, чем существующие ныне. [c.499]

Из процессов, показанных на рис. 4.1, фотосинтез является важнейшим для существования жизни, так как именно в результате фотосинтеза образуется топливо для организмов. Продукты фотосинтеза осуществляют в мышцах непосредственное преобразование химической энергии в механическую. Из других особенностей живых организмов отметим сложную и быстродействующую систему преобразований различных видов энергии в электрические сигналы. Система таких датчиков-преобразователей обеспечивает работу органов чувств зрение (свет), слух (звуковое давление-> механическое действие), вкус (химия), обоняние (химия), осязание (механическое действие, температура). Очень высокая эффективность при почти непрерывном режиме преобразования энергии в биообъектах до сих пор во многом остается загадкой, и в биологии нет полной молекулярной теории процессов восприятия. [c.115]

Проблемы, связанные с молекулярными основами превращений химической энергии АТФ в механическую энергию процессов сокращения и движения, чрезвычайно сложны [3, 15]. Это объясняется тем, что вне живого организма отсутствуют примеры непосредственного превращения химической энергии в механическую. Механическая работа может быть представлена сокращением мышц, а также движениями ресничек и жгутиков у простейших. Большинство клеток содержат сократительные нити (фибриллы), которые осуществляют организацию содержимого клетки, движение и перенос клеточных веществ, процессы клеточного деления и т. д. В качестве примера преобразования энергии АТФ в механическую работу можно привести процессы мышечного сокращения, связанные с использованием энергии АТФ [3, 15, 18], при этом важную функцию выполняют белковые компоненты мышечных клеток — комплекс миозина и актина, названный актомиозином. Актомиозин и его компонент миозин обладают АТФ-азной активностью, т. е. способны гидролизовать концевую фосфатную группу АТФ. Однако АТФ-азную активность актомиозина стимулируют ионы Mg +, а миозина — ионы Са +. Сигналом для сокращения мышц является электрический импульс, приходящий из двигательного нерва через нервномышечное соединение. До получения импульса по обе стороны мембраны (сарколемма) мышечной клетки поддерживается, разность потенциалов (с наружной стороны имеется избыточный положительный заряд). При распространении импульса по мембране разность потенциалов сразу исчезает. Считают, что это является результатом резкого повышения проницаемости мембраны для ионов К+, Na+ и Са2+ при этом направление потоков ионов вызывает разряд трансмембранного потенциала. После этого мембрана вновь возвращается в поляризованное состояние, а ионы Са + входят внутрь саркоплазматической сети мышечной клетки. Подобный перенос ионов Са + осуществляется за счет свободной энергии гидролиза АТФ (АТФ-азный кальциевый насос мембраны). Поставщиками АТФ в мышечных клетках служат как гликолиз, так и дыхание. Однако при нарушении этих процессов мышца (скелетная мышца позвоночных животных) при стимуляции продолжает сокращаться благодаря тому, что в ней содержится богатое энергией вещество — креатинфосфат (см. стр. 416), концентрация которого более чем в 4 раза превышает концентрацию АТФ. В мышце идет реакция [c.430]

Для эффективного преобразования энергии АТФ в механическую работу мышцы должны обладать строгой упорядоченной структурой. Действительно, упаковка сократительных белков в мышце подобна упаковке атомно-молекулярных частиц в кристаллах. Мышца представляет собой систему, состоящую из специфических клеток — мышечных волокон (рис. 17.1). Толщина отдельно взятого волокна составляет от Юдо 100 мкм, а его длина может быть равна длине самой мышцы (1—15 см). Вдоль мышечного волокна расположены строго упорядоченные специфические структуры цилиндрической формы (миофибриллы), образованные системами из перекрывающихся толстых и тонких белковых нитей, иначе называемых филаментами. Миофибриллы состоят из одинаковых повторяющихся элементов — саркомеров, ограниченных так называемыми Х-пла- [c.475]

По количеству выделяемого мышцей тепла можно оценить эффективность преобразования энергии при сокраш ении. При изотоническом режиме сокра-ш ения коэффициент полезного действия мышцы, определяемый как отноше-работа [c.231]

Эффективное преобразование химической энергии в механическую возможно при соблюдении ряда условий 1) должно быть обеспечено постоянное снабжение химической энергией. В мышцах позвоночных химическая энергия заключена в молекулах АТР и креатинфосфата 2) должны существовать средства регуляции механической активности, т.е. в случае мышц — скорости, длительности и силы сокращения 3) процесс преобразования должен находиться под контролем оператора, в данном случае его функцию выполняет нервная система 4) для того чтобы машина преобразования энергии могла использоваться многократно, необходим механизм возврата системы в исходное состояние. [c.332]

Современные полимерные системы, называемые искусственными мышцами, не обладают свойствами аккумуляции энергии и высвобождения ее в нужные моменты, а также свойством самовосстановления, присущим живым тканям. Тем не менее искусственные полимерные структуры, способные изменять размеры и развивать механическое усилие при омывании их жидкостями различного химического состава, представляют собой синтетические модели, более всего приближающиеся к живому прототипу. С живой мышцей их роднит главный принцип — принцип прямого преобразования химической энергии в механическую работу без тепловых преобразований. Полное воспроизведение механизма скольжения белковых нитей или како- [c.129]

Обратный эффект проявляется в том, что при деформации внешней механической силой эласто-осмотическое полимерное тело поглощает из окружающей жидкости или отдает в нее некоторые частицы. При этом химический состав внешней среды изменяется. Таким образом, происходит превращение механической энергии в химическую. Это обратное превращение было обнаружено В. Куном и сотрудниками при экспериментах на искусственных рН-мышцах [11] в статике. Динамические, нестационарные режимы обратного преобразования до сих пор не изучены. [c.149]

Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит преобразование химической энергаи АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения. Это явление свойственно только живым организмам. Изучение механизма мышечной деятельности является проблемой не только биохимической. Достижения последних лет в этой области связаны с интеграцией биохимических, биофизических и электронно-микроскопических исследований строения и функционирования мышц. [c.124]

Мышечное сокращение является сложным механохимическим процессом, в ходе которого происходит преобразование химической энергии гидролитического расщепления АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей. [c.130]

Наиболее важными функциональными факторами, лежащими в основе алактатной работоспособности, является активность ферментов, участвующих в мышечной деятельности. От АТФазной активности миозина зависит количество энергии АТФ, преобразованной в механическую работу, т. е. мощность выполняемых физических нагрузок. Активность кальциевой АТФазы (кальциевого насоса) определяет быстроту мышечной релаксации, от которой зависят скоростные качества мышцы. [c.193]

Конформация многих полимеров в растворах электролитов может изменяться в зависимости от pH, концентрации солей и диэлектрической проницаемости среды. Конформационные преобразования в свою очередь приводят к изменению размеров твердых полимеров, что и позволяет использовать их для перевода химической энергии в механическую. Возможность регулирования размеров твердых полимеров с помощью изменения pH и концентрации солей была впервые описана в работе Качальского, Куна и Айзенберга, что естественно связано с механизмом работы мышцы, поскольку и в том, и в другом случае преобразование энергии осуществляется в результате изменения свойств среды, в которой находится полимер. В качестве примера можно привести полиметакриловую кислоту, удельная вязкость которой в разбавленных водных растворах увеличивается в 2000 раз при частичной нейтрализации. Длина образца из полиакриловой кислоты (ПАК), сшитой с помощью глицерина и поливинилового спирта (ПВС), может изменяться в пределах 300% в зависимости от степени нейтрализации. При нагрузке, равной массе образца, полимер можно многократно (более 5000 раз) обратимо растягивать на 30% путем изменения pH среды. Для обрзйт толщиной 0,1 мм время отклика составляет около [c.122]

Преобразование энергии можно осуществлять, используя изменения структур макромолекул при изменении электростатических сил отталкивания, вида сшивки, концентрации растворителей. Например, белки теряют кристаллическую структуру (плавятся) при добавлении в систему некоторых солей. Коллаген при погружении в раствор ЫВг (5-6 моль/л) сокращается на 8%. Можно подобрать такое изменение объема (и связанное с этим изменение концентрации солей), что произойдет резкое снижение температуры плавления кристаллической структуры и при сокращении осуществятся процессы плавления и рекристаллизации. На этом принципе работает показанный на рис. 4.8, а механохимический двигатель, в котором полимерный шкив, находящийся в солевом растворе (нижняя ванна), сокращается и двигает по часовой стрелке колесо С (имеющее больший диаметр). Полимер представляет собой коллаген, сшитый формальдегидом. В качестве соли используется Ь1Вг (концентрация в нижней ванне - 11,25 моль/л, в верхней ванне — 0,3 моль/л). При этих концентрациях колесо В вращается со скоростью 40 об/мин и совершает работу, по количеству вполне сопоставимую с работой мышцы. При равенстве или близости концентраций в ваннах двигатель, естественно, останавливается. [c.124]

С предельной продолжительностью до 6 с увеличивающаяся скорость энергопродукции обеспечивается в основном за счет максимальной активности алактатного анаэробного процесса в работающих мышцах. В следующем временном диапазоне выполнения упражнений от 6 до 20 с наблюдается быстрое снижение скорости энергопродукции с константой половинного времени = 21,5 с. Этот диапазон характеризуется смешанным алактатно-гликолитическим анаэробным энергообеспечением со значительным исчерпанием емкости алактатного анаэробного источника. В диапазоне предельного времени от 20 до 45 с скорость энергопродукции определяется максимальным усилением анаэробного гликолитического процесса в работающих мышцах. Наибольшие размеры анаэробных изменений в организме при одновременном развертывании до максимального уровня аэробного энергообразования в работающих мышцах наблюдаются в диапазоне предельного времени выполнения упражнений от 45 до 180 с. Максимальное увеличение вклада аэробной энергетики достигается в диапазоне предельного времени 600 с. В дальнейшем изменения скорости энергопродукции связаны в основном с факторами, лимитирующими емкость и эффективность аэробного преобразования энергии. [c.394]

Рецептор растяжения рака схематически показан на рис. 8.8А. Эта клетка имеет несколько крупных дендритов, оканчивающихся в пределах мышцы мелкими ветвями. При растяжении мышцы (рис. 8.8Б) в дендритах возникает деполяризация, величина которой пропорциональна степени растяжения. Эта деполяризация обусловлена увеличением проницаемости для Na+ (а также, возможно, и для других ионов) в результате мембранный потенциал смещается в направлении равновесного потенциала, примерно равного 0. Этот сдвиг потенциала называется рецепторным потенциалом, видно, что по своим свойствам он сходен с ВПСП. Механизмы преобразования энергии раздражителя и другие особенности рецепторов будут рассматриваться в главах И и 14. [c.188]

Ясно, 4го эффективность представляет интерес, когда система превращает одну форму энергии в другую, например когда мышца поднимает груз. Другой важный пример — петля Хенле, где хлор переносится против большой разности электрохимических потенциалов со скоростью, которая позволяет воде вытекать из собирательной трубочки для концентрирования мочи. Однако вблизи состояний с фиксированной силой или потоком, где степень превращения энергии становится малой, преобразование энергии не является функцией системы и поэтому эффективность не имеет значения. Тем не менее необходимо оценить продуктивность использования энергии и в таких случаях. При исследованиях мышечного сокращения, например, предполагалось, что сравнение различных тканей или различных состояний может успешно проводиться с помощью понятия изометрической эффективности , определяемой как напряжение, развитое на единицу скоросТи потребления макро-эргического фосфата [1]. Однако изменение свободной энергии на единицу скорости реакции может значительно отличаться в различных тканях. Поэтому мы предположили, что правильнее относить выходную силу (или поток) к скорости затраты энергии [4]. [c.65]

Мембраны саркоплазматического ретикулума — удобная модель для изучения механизма преобразования энергии при ак-тивнем транспорте ионов. Для исследования биохимических и структурных свойств саркоплазматического ретикулума используют преимущественно микросомальную фракцию, выделяемую из скелетных мышц кролика в результате гомогенизации ткани и последующего дифференциального центрифугирования. Под электронным микроскопом она выглядит как довольно гомогенная смесь замкнутых пузырьков диаметром от 50 до 200 нм. В мембранах такого препарата локализован высокомолекулярный белковый компонент — Са-АТФаза, на долю которого приходится от 70 до 90% всего белка. Благодаря исключительной простоте данной системы ионного транспорта она в настоящее время детально охарактеризована. [c.52]

Часть V, озаглавленная Молекулярная физиология , представляет собой переход от биохимии к физиологии. При изложении материала здесь используются многие из концепций, сформулированных в предьщу-щих разделах книги, поскольку физиологии приходится иметь дело с информацией, конформацией и процессами метаболизма в их взаимосвязи. Вначале описывается организация клеточных мембран и оболочек бактериальных клеток и выясняется вопрос, каким образом клетка определяет положение синтезируемых ею белков. Далее следует изложение молекулярных основ иммунного ответа как организм узнает чужеродные вещества. В следующей главе речь идег о проблеме преобразования энергии химических связей в координированное движение. Как показали исследования последних лет, актин и миозин-основные белки мышц-выполняют функцию сокращения в большинстве клеток высших организмов. Далее описываются молекулярные основы дей- [c.15]

Следует обратить внимание на то, что механохимическимн называют также процессы преобразования химической энергии в механическую при работе мышцы и при деформации полимерных электролитов, вызванной изменением их заряда или электрохимического потенциала. Однако эти процессы правильнее было бы назвать хемомеханическими, так как они являются механическими процессами, инициированными химическими реакциями. [c.315]

Химическая энергия наиболее удобна с точки зрения аккумулирования, транспортировки и преобразования в механическую энергию. Классическим примером могут служить мышцы, в которых преобразование осушествляется полимерными С1рук1урами. Другим распространенным процессом является сгорание органических веществ, которое представляет собой вюрой тап в преобразованиях свет -> химическая энергия - - тепло. В пр .>цс ч.ах такого типа и полимерные вещества, и полимерные катал>Г5 т ры могут найти Ш1фокос применение. Также перепек- [c.114]