Enabling a sarcomere to run and breath - Université d'Angers Accéder directement au contenu
Poster De Conférence Année : 2018

Enabling a sarcomere to run and breath

Résumé

An extremely simple model of a compass gait biped consisting of three points is considered. Two of them are for the legs and the third one is for the hips, with additional kinematic conditions (three joints). It is a model capable in its passive form of descending a slope by simple gravity. We consider it here on level ground in an active form, i. e. with bio-actuators at the joints. Each bio-actuator develops a force torsor obtained from two Hill-type muscles (two serie and parallel elastic elements, one contracting element) acting on either side of the joint. The contractile element is a zero dimensional sarcomere of Huxley type whose attachment and detachment coefficients rates are linked to Ca2+ and ATP concentrations by empirical relationships [Bestel 2000]. Assuming that the ATP “consumed” in the vicinity of the myosin fiber is identical to that “produced” in the vicinity of an associated mitochondria, a kinetic model of the oxidative phosphorylation chain [Korzeniewski 2007] links the ATP to the oxygen and NADH concentrations in mitochondria. Several other internal variables are included as cytochrome c and cytochrome oxidase concentrations. The Ca2+ concentrations are the control variable of the whole complex. We then determine a temporal profile of Ca2+ which, included in a Keller dynamic process, produces a run cycle associated with O2 and NADH consumptions. This rudimentary model establishes a connection between consumed matter (O2, NADH) and produced movement. It is capable of raising the numerical difficulties linked to the multiple constraints taken into account. The future and ultimate objective is to solve a race time minimization problem constrained by the energy / matter consumption as done by [Aftalion & al 2014] heuristically, while in addition bringing furthermore a crucial biological basis to these constraints.
Nous considérons un modèle de la littérature extrêmement simple de coureur de type robot boussole composé de 3 points (2 pour les jambes, 1 pour les hanches) liés par des conditions cinématiques (3 articulations, sol compris). C’est un modèle capable dans sa forme passive de descendre une pente par simple gravité selon un cycle de marche connu, y compris en stabilité. Nous le considérons ici sur un sol plan dans une forme active, c’est-à-dire avec des bio-actionneurs aux articulations. Chacun des 3 bio-actionneurs considérés développe un torseur d’efforts obtenu à partir de deux muscles de type Hill (two serie and parallel elastic éléments, one contraction element) agissant de part et d’autre de l’articulation. L’élément contractile est un sarcomère zéro dimensionnel de type A.F. Huxley à deux états dont les coefficients de taux d’attachement et de détachement sont liés aux concentrations de Ca2+ et d’APT par des relations empiriques (Bestel 2000). En faisant l’hypothèse que la concentration ATP consommée au voisinage de la fibre de myosine est identique à celle produite au voisinage des mitochondries, un modèle cinétique de mitochondrie permet de relier l’ATP aux concentrations d’oxygène et de NADH. Ce modèle cinétique inclus les variables internes de concentration en cytochrome c et cytochrome oxydase. La concentration de Ca2+ est la variable de contrôle de l’ensemble mytochondrie + sarcomere. Nous déterminons alors un profil temporel de Ca2+ qui, inclus dans une dynamique Newtonienne, produit un cycle de marche associée à une consommation d’O2 et et de NADH. Ce modèle cinétique naïf relie donc des variables nanométriques à des variables métriques en traitant les grandeurs spatiales comme des points et établit un lien entre matère consommée (O2, NADH) et mouvement produit. Ce modèle est propre à soulever les difficultés numériques liées aux multiples contraintes prises en compte. L’objectif futur et ultime est de résoudre un problème de minimisation de temps de course contraint par une consommation de matière type O2 ou produits phosphatés P comme il a été fait par les auteurs [] de façon heuristique, mais en apportant de plus un fondement biologique à ces contraintes.
Fichier non déposé

Dates et versions

hal-02528716 , version 1 (01-04-2020)

Identifiants

  • HAL Id : hal-02528716 , version 1
  • OKINA : ua17093

Citer

Jean-Claude Jolly. Enabling a sarcomere to run and breath. 62nd Annual Meeting Biophysical Society, 2018, San Francisco, United States. Biophysical Society, 2018. ⟨hal-02528716⟩
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