Глава 2. АНАТОМИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АХИЛЛОВА СУХОЖИЛИЯ

Содержание

[показать]

Базовая ЯМР техника[править | править исходный текст]

Образец вещества для ЯМР помещается в тонкостенную стеклянную трубку (ампулу). Когда ее помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как ¹H или ¹³C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота, энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Так в поле в 21 Тесла, протон резонирует при частоте 900 МГц.

Химический сдвиг[править | править исходный текст]

Основная статья: Химический сдвиг

В зависимости от местного электронного окружения разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты, и основная резонансная частота прямо пропорциональны величине индукции магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом, химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того что обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объема образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола(CH₃CH₂OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH₃, второй для СН₂-группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH₃-группы примерно равен 1 ppm, для CH₂-группы присоединенной к OH-4 ppm и OH примерно 2—3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре сигналы 3 метиловых протонов усредняются в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять как много протонов дает вклад в эти пики.

Спин-спиновое взаимодействие[править | править исходный текст]

Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР-спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах, что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.

Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.

Взаимодействие второго порядка (сильное)[править | править исходный текст]

Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР-спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.

Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение чем низкочастотный спектр.

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков[править | править исходный текст]

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из-за присутствия большего числа атомов в белковой молекулы в сравнении с простым органическим соединением, базовый ¹D спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов применяют метод меченых атомов, используя ¹³С или ¹⁵N. Таким образом становится возможным получить 3D-спектр белкового образца, что стало прорывом в современой фармацевтике. В последнее время получают распространение методики(имеющие как преимущества так и недостатки) получения 4D-спектров и спектров большей размерности, основанные на методах нелинейного семплирования с последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

Глава 2. АНАТОМИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АХИЛЛОВА СУХОЖИЛИЯ

Ахиллово сухожилие (или пяточное сухожилие, tendo calcaneus) – самое крупное и прочное сухожилие в организме человека. Оно образуется в результате слияния сухожилий икроножной (m. gastrocnemius) и камбаловидной (m. soleus) мышц, которые составляют трехглавую мышцу голени (m. triceps surae). Ахиллово сухожилие прикрепляется к пяточному бугру.

Развитое ахиллово сухожилие отсутствует у животных и является отличительной чертой человека. Считается, что оно является одним из главных эволюционных анатомических приобретений, обусловленных прямохождением. Ахиллово сухожилие играло ключевую роль в эволюционном естественном отборе: как у современных человекообразных обезьян, так и у австралопитеков ахиллово сухожилие отсутствует, а появилось оно у представителей рода Homo вероятно более 3 миллионов лет назад [223].

Ахиллово сухожилие выполняет сразу несколько уникальных функций, причем эта многофункциональность подразумевает особую актуальность его повреждений:

1. Прямохождение человека подразумевает положение стопы в анатомической позиции под прямым углом к голени (нейтральное положение). Ахиллово сухожилие тангенциально прикрепляется к самой задней части стопы – к бугру пяточной кости, образуя мощный биомеханический треугольник. Угол между осью большеберцовой кости и линией к пяточной кости у человека один из самых больших среди всех млекопитающих.

2. Мышцы, сухожилия которых образуют ахиллово сухожилие, имеют разные функции и физиологические свойства. M. soleus отвечает за плантарную флексию стопы и в основном содержит медленные мышечные волокна I типа, благодаря которым она функционирует как постуральная мышца, предотвращающая падение человека вперед при стоянии [686]. При этом m. gastrocnemius кроме того отвечает за сгибание конечности в коленном суставе и содержит большее число быстрых мышечных волокон IIB типа, за счет которых возможны энергичные пропульсивные движения, необходимые при быстром беге или прыжках.

3. Так как ахиллово сухожилие прикрепляется к пяточной кости, оно отвечает за движения не только в коленном и голеностопном суставах, но и в подтаранном суставе. Ввиду того, что ось движений в подтаранном суставе обычно проходит выше и медиальнее задне-наружного края пяточной кости [536], ахиллово сухожилие кроме того отвечает и за супинацию стопы [180]. Более того, концентрация сил у медиального и латерального краев энтезиса сухожилия может быть разной.

4. Ротация нижней конечности, происходящая в процессе онтогенеза, приводит к тому, что у взрослого человека ахиллово сухожилие скручено вокруг своей оси: волокна, отходящие от m. gastrocnemius, подходят к латеральной части энтезиса, а волокна, берущие начало от m. soleus, прикрепляются медиальнее [275, 792]. Таким образом, при приложении силы к сухожилию оно способно «раскручиваться», что определяет его амортизационные свойства. Более того, поскольку головки m. gastrocnemius начинаются от надмыщелков бедренной кости, а при сгибании в коленном суставе создается возможность ротационных движений голени, та часть ахиллова сухожилия, которая начинается от m. gastrocnemius может спиралевидно закручиваться вокруг волокон, начинающихся от m. soleus [180]. Этот сложный ротационный механизм дополняется особой формой таранной кости, и вместе эти два биомеханических звена определяют некоторое смещение оси движений в голеностопном суставе по отношению к ахиллову сухожилию во время подошвенного и тыльного сгибания стопы. Смещение оси в свою очередь приводит к небольшой ротации в голеностопном суставе [373].

5. Ахиллово сухожилие обладает широким диапазоном механических свойств. Во время бега ахиллово сухожилие испытывает нагрузки, которые примерно в восемь раз больше, чем вес тела человека, а при стоянии на сухожилие приходится нагрузка вдвое меньше веса тела [430].

Помимо этого, трехглавая мышца голени вместе с ахилловым сухожилием обеспечивает стабильность как в голеностопном, так и в коленном суставах [710].